Wundermaschine, technologische Speerspitze, Ultra-High-Tech: Der Quantencomputer fasziniert. Doch die wenigsten verstehen, zu was er gut sein soll. Der Versuch einer Erklärung.
Ende des vergangenen Jahres war er wieder in aller Munde: Als die IBM im November in Ehningen ihren neuen Technology Campus einweihte, fielen oft die Wörter „Quanten Computing“ und „Quantum System One“, oder „Qubits“. Ob Politiker oder Konzernchef – sie alle sonnen sich gern im Glanz des IBM Quantencomputers. Diesem Wunderwerk der Technik, das in einem unspektakulären Technikraum auf Weltraumtemperatur heruntergekühlt wird und 2021 das erste seiner Art in Europa war. Nur: Was kann dieser Computer eigentlich? Und was nicht? Hier der Versuch einer Antwort.
Jan Schnabel ist weder Politiker noch Manager, sondern Wissenschaftler. Genauer gesagt: Quanten-Physiker. Er forscht auf dem Vaihinger Campus am Fraunhofer Lab für anwendungsorientiertes Quantencomputing Stuttgart–Heilbronn. Unter dem Verbund „flaQship“ haben sich Fraunhofer IAO, Fraunhofer IPA und das IAT der Universität Stuttgart zusammengeschlossen. Jan Schnabel gehört damit gemeinsam mit seinem Forschungskollegen Bharadwaj Mummaneni zum erlauchten Kreis derer, die sich von Zeit zu Zeit auf den Ehninger Computer aufschalten dürfen.
Forschungen in der Nische
Ihre Untersuchungen bewegen sich auf einem Feld, in dem sich nur wenige auskennen: Im Rahmen des Landesprojekts ‚KQCBW25’ arbeiten die beiden Wissenschaftler im engen Austausch mit der Karlsruher Softwarefirma HQS an der Spektroskopie von Kernspinresonanz. Dabei geht es darum, die molekulare Struktur von Stoffen zu untersuchen – also herauszufinden, wie die Atome in einem Molekül angeordnet und miteinander verbunden sind.
Ein Pharmahersteller etwa muss nachweisen, dass die von ihm produzierte Arznei auch wirklich die angegebenen Wirkstoffe enthält. Um die Daten solcher Magnetresonanz-Messungen zu interpretieren, bedarf es komplexer Computersimulationen. Viele dieser Berechnungen können mit modernen Computern durchgeführt werden, dennoch stoßen sie in relevanten Fällen an ihre Grenzen. Außerdem machen die aufwendigen Messmethoden mit großen Magnetfeldern das Ganze recht kostenintensiv.
Deshalb sucht die Branche händeringend nach Wegen, diese Entwicklungsprozesse zu simulieren. Und da kommt der Quantencomputer ins Spiel. „Vereinfacht gesagt, beschäftigen wir uns mit der Simulation von molekularen Strukturen“, sagt Jan Schnabel. Schnabel und Mummaneni forschen derzeit intensiv daran, diese mit dem Quantencomputer durchzuführen.
Rechenoperationen, die eigentlich keine sind
Dabei machen sich die Wissenschaftler die faszinierenden physikalischen Prozesse in dessen Inneren zunutze. Sein Geheimnis sind Rechenoperationen, die eigentlich keine sind im herkömmlichen Sinne. Der Quantencomputer nämlich „rechnet“ nicht wie ein Chip mit Einsen und Nullen – vielmehr misst er physikalische Zustände dazwischen. Man darf es sich so vorstellen: Das Herzstück des IBM-Quantencomputers bilden mikroskopisch kleine, supraleitende Schaltkreise, die mit komplexen Algorithmen angesteuert werden.
Die Zahl der installierten Schaltkreise wird mit der Einheit Qubits bezeichnet. Die Technologie macht sich zwei wundersame Eigenschaften dieser physikalischen Einheiten zunutze: Superposition und Verschränkung. Superposition bedeutet: Anders als ein klassisches Bit, das immer entweder Eins oder Null ist, kann ein Qubit beide Zustände gleichzeitig einnehmen – vergleichbar mit einer Münze, die in der Luft rotiert und dabei weder eindeutig Kopf noch Zahl zeigt.
Erst wenn man nachmisst, „entscheidet“ sich das Qubit für einen der beiden Werte. Dazu kommt die Verschränkung: Zwei Qubits können so miteinander verknüpft werden, dass sie ein gemeinsames Schicksal teilen. Misst man den Zustand des einen, steht damit augenblicklich auch der Zustand des anderen fest – selbst wenn die beiden räumlich voneinander entfernt sind. Superposition und Verschränkung zusammen ermöglichen Rechenoperationen, die für herkömmliche Computer praktisch undurchführbar wären.
Diese komplexen Berechnungen werden millionenfach wiederholt und sind sehr schwer stabil zu reproduzieren. Daher werden die empfindlichen Qubits auf 15 Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt, eine Temperatur bei etwa minus 273 Grad Celsius. Diese goldfarbene Mechanik dieser Kühlung ist es auch, die dem Quantencomputer sein charakteristisches Aussehen verleiht. Der eigentlich Kern der Maschine ist nicht größer als ein Daumennagel.
Dieser muss nicht nur extrem kalt sein, sondern zudem völlig frei von äußeren Einflüssen wie Erschütterung oder elektromagnetischen Feldern. Aus der Kombination vieler Millionen Messungen ergibt sich schließlich die Wahrscheinlichkeit eines Ergebnisses, das sich weiter interpretieren lässt. Der Nachteil: Die Technologie ist sehr sensibel und im vergleich zu klassischen Computern sehr viel aufwendiger.
Eine mögliche Anwendung: Das Wetter
Neben den genannten Forschungen an Molekularstrukturen gibt es viele weitere Bereiche, häufig in der Materialwissenschaft oder bei komplexen Simulationen wie dem Wetter. Noch allerdings sind die Forscher nicht so weit, der Industrie konkrete Anwendungen anbieten zu können. Der weltgrößte Autozulieferer Bosch etwa rechnet erst bis zum Ende des Jahrzehnts damit, konkreten Nutzen aus der Technologie ziehen zu können. Damit steht er nicht allein.
In der Wissenschaft konkurrieren außerdem mehrere Ansätze miteinander, es gibt ein Wettlauf um die erfolgversprechendsten Technologien. Jan Schnabel und Bharadwaj Mummaneni hoffen auf baldige Durchbrüche bei ihren molekularen Quanten-Berechnungen. Was sie als klaren Vorteil sehen: Die räumliche Nähe und enge Kooperation zwischen Wirtschaft und Wissenschaft in Baden-Württemberg. „Dieses hier geschaffene Ökosystem begünstigt unsere Forschungen enorm“, sagt Jan Schnabel.