Quantencomputer: „Man wird sich wundern, was plötzlich alles funktioniert.“

Dieser Text erschien zuerst in der Neuen Zürcher Zeitung.

Supercomputer rechnen unvorstellbar schnell – der weltweit schnellste schafft über eine Trillion Rechenschritte pro Sekunde. Und doch arbeiten sie viel zu langsam für eine ganze Reihe von relevanten Aufgaben, etwa die Optimierung von komplexen Lieferketten oder die Risikoanalyse von Aktienportfolios. In letzter Zeit bewiesen Quantencomputer immerhin, dass sie einige sehr spezielle Probleme sehr viel schneller lösen können als selbst die leistungsstärksten Superrechner. Doch praktisch nutzbare Lösungen erzielen sie noch nicht.

Das wollen akademische Forscher, Tech-Giganten wie Google und IBM und mehrere Start-ups ändern. Ausgestattet mit vielen Milliarden US-Dollars an staatlicher und privater Förderung liefern sie sich einen Wettlauf, wer als erster den „Quantenvorteil“ erreicht. Das bedeutet, dass Quantenrechner auch Probleme des realen Wirtschaftslebens in bislang unerreichtem Tempo lösen können. „In zwei bis drei Jahren könnte es so weit sein“, sagt Wolfgang Lechner von der Universität Innsbruck, dessen Start-up „ParityQC“ das Ziel auch anstrebt.

Elektrofahrzeuge laden kann äußerst komplex sein

Ein Beispiel für eine hochkomplexe Aufgabe ist das optimale Verteilen von Elektrofahrzeugen auf mehrere Ladesäulen, auch „Smart Charging“ genannt. Angenommen, die Fahrzeuge brauchen unterschiedlich lange zum Laden und es gibt mehr Wägen als Ladesäulen: Organisiert man die Reihenfolge suboptimal, dauert das Laden der ganzen Flotte länger als nötig. Das Ziel ist, die Kombination von Ladepunkten und Fahrzeugen zu finden, die die Flotte am schnellsten lädt. Mit wenigen Fahrzeugen lässt sich das mit Papier und Bleistift berechnen. Doch jedes weitere Vehikel und jede neue Ladesäule vervielfacht die Kombinationsmöglichkeiten. Der Rechenaufwand explodiert regelrecht. Bei mehreren hundert Fahrzeugen ist selbst der stärkste klassische Superrechner überfordert.

Quantenrechner sind dieser „kombinatorischen Explosion“ viel eher gewachsen, dank der Gesetze der Quantenphysik, die sie zum Rechnen nutzen. Die Quantenphysik erlaubt winzigen Teilchen wie Elektronen oder Lichtteilchen (Photonen) mehrere Möglichkeiten simultan zu verwirklichen. Ein einzelnes Teilchen kann zum Beispiel gleichzeitig durch zwei Spalten eines Schirmes treten. Die parallele Existenz lässt sich als „Quantenbit“ (kurz: Qubit) nutzen, die elementare Recheneinheit eines Quantencomputers. Anders als das klassische „Bit“ kann es die beiden Werte 0 und 1 nicht nur hintereinander aufnehmen, sondern eben simultan. Das erlaubt das parallele Verarbeiten beider Werte. Der Clou ist nun: Jedes weitere Qubit verdoppelt die Anzahl der Werte, die sich parallel verarbeiten lassen. Bei zwei Qubits sind es vier Werte, bei drei Qubits schon acht und so weiter. Mit einigen hundert Qubits lässt sich eine größere Anzahl von Werten parallel berechnen, als es Atome im gesamten bekannten Universum gibt.

Hoch überlegenes Rechentempo

Daraus ergibt sich theoretisch ein hoch überlegenes Rechentempo gegenüber normalen Computern, die Rechenschritte nur nacheinander ausführen können. Erstmals in der Praxis zeigte Google die„Quanten-Überlegenheit“ im Jahr 2019. Ein fingernagelgroßer Quantenchip namens „Sycamore“ mit 53 Qubits löste eine Aufgabe binnen Minuten, die per Superrechner 10.000 Jahre dauere, wie Google damals behauptete.

Weil Sycamore bei seiner Berechnung alle 53 Qubits einbezog, kombinierte es unvorstellbar viele Werte miteinander, was einem klassischen Rechner naturgemäß schwer fällt. Allerdings hat das Ergebnis keine nutzbare Bedeutung. Google wollte lediglich zeigen, dass Quantencomputer nicht nur theoretisch schneller rechnen. Bald darauf relativierte sich Sycamore's „Überlegenheit“: Im Januar 2022 gelang es chinesischen Physikern, die Berechnung mit 60 normalen Grafik-Prozessoren innerhalb von fünf Tagen zu reproduzieren.

Vor kurzem baute das kanadische Start-up „Xanadu“ die Quanten-Überlegenheit wieder aus, mit einer Methode namens „Boson-Sampling“. Dabei fliegen tausende Photonen durch ein Netzwerk aus Lichtleitern. Jedes einzelne Photon kann simultan mehrere Wege durch das Netzwerk nehmen. An den Kreuzungspunkten der Lichtleiter interagieren die Photonen. Durch vielfältige Möglichkeiten von Wegen und Interaktionen entsteht am Ausgang des Netzwerkes ein komplexes Lichtmuster. Dieses erzeugt der optische Computer binnen 36 Mikrosekunden. Der zweitschnellste klassische Supercomputer der Welt, der japanische „Fugaku“, bräuchte 9000 Jahre, um das Lichtmuster zu berechnen, wie Xanadus Forscher abschätzen. Sie sind sich sicher, dass es diesmal nicht gelingen wird, das Problem klassisch schneller zu erledigen, da es zu den komplexesten Aufgaben überhaupt gehört.

Schnellere finanzielle Risikoanalyse per Quantencomputer

Wie das Experiment von Google hat das Boson-Sampling noch keine Anwendung. Allerdings ähnelt es einem Problem in der Molekülphysik, nämlich der Berechnung von Molekülschwingungen. Diese spielen etwa bei der Absorption von Wärmestrahlung durch Treibhausgase eine Rolle. Ob photonische Quantenrechner wie der von Xanadu solche Schwingungen erforschen können, ist allerdings unter Experten umstritten.

Für brauchbare Vorteile haben heutige Quantenrechner noch zu wenige Qubits. Die Firma IBM überwand im letzten Herbst zwar die Schwelle von 100 Qubits. Doch interessante Anwendungen mit Quantenvorteil bräuchten deutlich mehr.

Um das Smart-Charging von Elektromobilen besser als heute möglich zu optimieren, bräuchte ein Quantencomputer mehrere 10.000 Qubits, schätzt Wolfgang Lechner. Mit Quantenrechnern dieser Größe könnte auch das Verlustrisiko komplexer Finanzportfolios schneller als heute möglich abgeschätzt werden, wie Stefan Woerner und Daniel Egger vom IBM Forschungzentrum in Rüschlikon bei Zürich 2019 berechneten.

Wenn der Ausbau der Qubit-Zahl im gleichen Tempo weiterginge wie bislang, würde es bis zum Quantenvorteil noch dauern. Doch der Zuwachs an Qubits gehe immer schneller, betont Wolfgang Lechner. „Schon im nächsten Jahr könnten wir 10.000 Qubits sehen“, sagt er.

Quantencomputer machen hartnäckige Fehler

Ob das automatisch zum Quantenvorteil führt, ist indessen nicht sicher. Denn Qubits sind sehr empfindlich. Kleinste Umwelteinflüsse können die Überlagerung aus 0 und 1 zerstören. Bei verschiedenen Arten von Qubits geht das unterschiedlich schnell: Qubits aus supraleitenden Metallschleifen wie sie Google oder IBM nutzen, schaffen nur wenige Mikrosekunden. Ein Qubit in Form eines elektrisch geladenen Atoms kann zwar über eine Stunde lang bestehen bleiben. Jedoch lassen sich Ionen bislang nur zu einem Rechner mit 24 Qubits kombinieren. Zwar forschen Physiker an Fehlerkorrekturverfahren, die längere Rechenzeiten ermöglichen sollen. Doch der Fortschritt ist langsam. Erst nach 2030 erwarten Experten einen fehlerkorrigierten Quantencomputer.

Doch die Jäger des Quantenvorteils glauben, dass die fehlerfreie Rechenzeit zusammen mit höheren Qubit-Zahlen für manche Aufgaben ausreichen wird. Mathematisch beweisen lässt sich diese Annahme jedoch nicht. „Man muss es praktisch herausfinden“, sagt Lechner. Erschwerend kommt hinzu: Was mit einer Art von Quantencomputer, etwa photonischen, schlecht funktioniert, könnte mit einer anderen besser gehen. „Die verschiedenen Plattformen müssen verglichen werden“, sagt Lechner. Seine Firma ParityQC will die Suche beschleunigen. Sie erstellt Baupläne für Quantenrechner, die von der Art der Qubits unabhängig ist und es Hardware-Herstellern erleichtern soll, schneller zu größeren Qubit-Zahlen zu kommen.

„Klassische Computer bleiben unentbehrlich“

Angenommen, der Quantenvorteil würde bald erzielt. Wie werden die ersten Quantencomputer dann eingesetzt? „Zunächst als Co-Prozessoren von klassischen Rechnern“, prognostiziert Lechner. Der klassische Rechner würde weiter unentbehrlich bleiben, meint der Physiker. Auch in zehn oder fünfzehn Jahren, wenn sie mehr können, würden Quantenrechner nicht in jeder Hosentasche stecken, sondern in der Cloud oder in Rechenzentren arbeiten, schätzt der Experte. Ihr Einfluss auf den Alltag wird also indirekt sein, in Form eines flüssigeren Verkehrs vielleicht oder als sichere Wettervorhersagen über eine Woche hinweg. „Es wird so ähnlich sein wie heute mit künstlicher Intelligenz“, sagt Lechner. „Man wird sich wundern, was plötzlich alles funktioniert.“