# taz.de -- Erwartungen an Quantencomputer: Ein Quäntchen Zukunft
       
       > Google feierte vor Kurzem einen Durchbruch bei der Entwicklung von
       > Quantencomputern. Doch was sind das für Geräte und was bringen sie?
       
   IMG Bild: Ein Quantencomputer des Typs „Q System One“ wie der hier von IBM steht auch in Stuttgart-Ehningen
       
       ## Was sind Quanten und warum gibt es dafür extra Computer?
       
       Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begründeten Wissenschaftler wie Max Planck
       und Albert Einstein die Quantenphysik. Sie stellten fest, dass
       physikalische Größen wie Materie, Licht oder Gravitation in kleinste
       Elementarteilchen portioniert werden können. Diese Portionen sind immer
       gleich groß. Sich die Welt der Quanten, der allerkleinsten physikalischen
       Ebene, vorzustellen, übersteigt die Fähigkeiten des menschlichen Verstands.
       In dieser kleinsten Welt ist die klassische Physik nicht anwendbar. Es
       gelten eigene Gesetze, nämlich die der Quantenmechanik, die auf den ersten
       Blick keinen Sinn ergeben. Zum Beispiel, dass ein Elektron in einem Atom an
       mehreren Stellen gleichzeitig sein kann. Quanten sind nicht unbedingt
       Teilchen, sie sind auch gleichzeitig energetische Wellen, zum Beispiel in
       Form von Photonen.
       
       Ein Computer, der sich Quanteneigenschaften zunutze machen kann, eröffnet
       neue Anwendungsbereiche und Rechenwege.
       
       ## Was unterscheidet Quantencomputer vom normalen Computer?
       
       Im Gegensatz zu einem klassischen Computer, der mit Bits arbeitet, nutzen
       Quantencomputer Qubits als Grundrecheneinheit. Man kann sich das wie auf
       einer Lichtskala vorstellen: auf der einen Seite weiß, auf der anderen
       schwarz, erklärt die Physikerin Jeanette Lorenz. Sie leitet die Abteilung
       Quantum-enhanced AI am Münchner Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme
       (IKS) und entwickelt Algorithmen für Quantencomputer.
       
       Normale Computer arbeiten mit Bits. Die sind immer entweder schwarz oder
       weiß, 0 oder 1. Durch die Kombination des Zahlencodes entstehen
       Informationen. Quantencomputer arbeiten dagegen im Graubereich. In Qubits
       überlagern sich verschiedene Zustände. Sie sind gleichzeitig 0, 1 und alles
       dazwischen. Vorstellbar wie eine Münze, die eben in die Luft geschnipst
       wurde. Solange sie rotiert, ist sie Kopf und Zahl zugleich. Erst wenn die
       Anwender*innen das Ergebnis messen, wird klar, ob die Qubits schwarz
       oder weiß sind. Das Zwischenergebnis ist also abhängig von
       Wahrscheinlichkeiten und erst durch Wiederholung des Rechenvorgangs,
       Algorithmus genannt, entsteht ein finales Ergebnis.
       
       ## Warum ist das besser?
       
       Während klassische Computer alles hintereinander rechnen, können
       Quantencomputer mehrere Wege parallel gehen. Durch die Gleichzeitigkeit von
       0 und 1 verdoppelt sich mit jedem zusätzlichen Qubit die Zahl der möglichen
       Ergebnisse. Somit wächst die Rechenleistung exponentiell.
       
       Anschub geben zudem zwei weitere quantenmechanische Effekte: Interferenz
       und Verschränkung. Wie zwei Wellen können sie Quanten verstärken oder
       auslöschen. Qubits können außerdem miteinander verknüpft werden, sodass
       sich eine Änderung des einen Teilchens im gleichen Moment auf das andere
       Teilchen auswirkt.
       
       ## Wer hat sich das ausgedacht?
       
       [1][Den ersten Quantencomputer] haben der Physiker Richard Feynman und der
       Mathematiker Yuri Manin in den 1980ern entworfen. Die Wissenschaftler
       erhofften sich dadurch, die Natur, wie sie wirklich ist, simulieren zu
       können.
       
       Im Juni 2021 hat die US-Techfirma IBM in Ehningen bei Stuttgart ihren
       ersten Quantencomputer in Europa eingeweiht. Sie betreiben ihn zusammen mit
       dem Fraunhofer-Institut in München, aktuell vor allem für Forschungszwecke.
       
       ## Bringt uns das wirklich voran?
       
       Quantencomputer könnten Systeme simulieren, die sich aktuell noch nicht
       simulieren lassen, insbesondere solche Systeme, die selbst im
       quantenmechanischen Bereich funktionieren. Zum Beispiel chemische
       Reaktionen. Wenn sich Zustände auf dieser kleinsten Ebene simulieren
       lassen, könnten schneller und gezielter neue Medikamente oder Materialien
       mit bestimmten Eigenschaften entwickelt werden.
       
       Solche Computer könnten aber nicht nur schnellere, sondern auch bessere
       Lösungen für Probleme finden. [2][Einen Quantenalgorithmus, mit dem]
       unsortierte Daten effizienter durchsucht werden können, gibt es bereits.
       Ein effizientes Datenmanagement könnte zum Beispiel Firmen helfen, weniger
       Ressourcen einzusetzen: indem industrielle Produktionen nur die exakt
       nötige Materialmenge nutzt oder Lkws durch optimale Verkehrsrouten weniger
       Kraftstoff verbrauchen.
       
       Auch für maschinelles Lernen eignen sich Quantencomputer, und zwar
       insbesondere dann, wenn wenig Daten vorhanden sind, erklärt Jeanette
       Lorenz. Sie selbst forscht an der Anwendung von Quantencomputern in der
       Medizin. Mit Ultraschall- oder Computertomografieaufnahmen wollen
       Ärzt*innen Tumore und deren Gut- oder Bösartigkeit feststellen.
       „Klassische Algorithmen brauchen eine große Menge an Trainingsdaten, damit
       sie tatsächlich ein zuverlässiges Ergebnis geben können.“ Aber bei vielen
       Erkrankungen sind die Daten begrenzt. Bestimmte Quantenalgorithmen kämen
       mit weniger Daten aus, um ein ähnliches oder besseres Ergebnis zu erreichen
       als herkömmliche Algorithmen.
       
       ## Bisher ist ja vieles nur Theorie. Wann sind die Supercomputer endlich
       einsetzbar?
       
       Es gibt bereits Quantencomputer, aber die sind für viele Anwendungen bisher
       zu fehleranfällig. [3][Quantencomputer zu bauen] und zu betreiben, ist
       aufwändig, weil man den quantenmechanischen Zustand der Qubits
       aufrechterhalten muss. Je nach System, mit dem der Computer funktioniert,
       gelten spezifische Ansprüche. Ein Problem kann zum Beispiel sein, dass
       Teilchen sich bewegen, solange sie warm sind. Damit Qubits steuerbar
       werden, dürfen sie also keine Wärmeenergie mehr enthalten. Sie müssen mit
       enormem Energieaufwand auf die kälteste mögliche Temperatur heruntergekühlt
       werden. Das sind –273 Grad Celsius. Der Computer muss außerdem gegen
       sämtliche Erschütterungen und magnetischen Felder abgeschirmt sein.
       
       Wissenschaftler*innen stelle das vor große Herausforderungen, sagt
       Lorenz. Denn auf der einen Seite müssen Quantencomputer zwangsläufig mit
       ihrer Umgebung in Verbindung stehen, da die Ergebnisse von einem
       herkömmlichen Computer bedient und ausgelesen werden müssen. Andererseits
       müssen sie perfekt vor Umwelteinflüssen geschützt sein, um die
       quantenmechanischen Eigenschaften zu erhalten.
       
       Damit Quantencomputer korrekte Ergebnisse liefern, dürfen Qubits keine
       Fehler machen. Qubits funktionieren allerdings nie komplett störungsfrei.
       Um Fehler zu entdecken, nutzt man die Tatsache, dass sich Qubits
       gegenseitig beeinflussen. Man schaltet mehrere fehlerhafte Qubits zusammen,
       um daraus ein fehlerfreies Qubit zu machen. Dass diese Methode zu besseren
       Ergebnissen führt, wies zuletzt das Google AI Team i[4][n einer Studie]
       nach. Als Daumenformel müsse man etwa 10.000 Qubits zusammenschalten, um
       ein fehlerfreies zu erhalten, sagt Lorenz. Davon sind bisherige
       Quantencomputer noch weit entfernt. Den bisher leistungsstärksten
       Quantencomputer stellte IBM im November 2022 vor. Er hat 433 Qubits.
       
       ## Wer wird davon profitieren?
       
       Es gibt schon erste Ansätze, Quantencomputer mit klassischen Computern zu
       kombinieren. Bestimmte Rechenprozesse kann man übers Internet an
       Quantencomputer auslagern. So könnten in bestimmten Problemklassen
       Berechnungen beschleunigt werden, sagt Lorenz. An genau solchen
       Anwendungsfällen arbeitet die Fraunhofer-Gesellschaft bereits mit
       Industriepartnern zusammen, unter anderem der Halbleiterhersteller
       Infineon.
       
       Auch Einzelpersonen [5][können schon Quantencomputer nutzen]. IBM stellt
       dafür eine Online-Plattform zur Verfügung, auf der Neugierige ihre
       Quantenalgorithmen testen können. Deren Programmierung ist allerdings
       komplex, unter anderem weil es noch keine einheitliche Programmiersprache
       für Quantensysteme gibt.
       
       Neben der Forschung könnten Quantencomputer zukünftig auch ganz konkret im
       Alltag helfen. 2019 warb VW mit einem Pilotprojekt, bei dem ein Teil der
       Navigation über einen Quantenalgorithmus berechnet wird. Die Idee ist es,
       potenzielle Staus zu erkennen, bevor sie entstehen.
       
       In den eigenen vier Wänden werden Quantencomputer in Zukunft eher nicht
       stehen. Weil sie nur Wahrscheinlichkeiten berechnen, können sie klassische
       Computer nicht ersetzen, sagt Lorenz. Quantencomputer haben großes
       Potenzial, aber eben nur in bestimmten Anwendungsbereichen.
       
       ## Könnte ein Supercomputer nicht auch gefährlich werden?
       
       Quantencomputer haben nicht nur das Potenzial, neue Probleme zu lösen. Sie
       könnten auch die Sicherheit bestehender Systeme gefährden. Zum Beispiel
       könnte es ihnen gelingen, die gängigsten Methoden zur Verschlüsselung zu
       knacken, das sogenannte RSA-Verfahren. Es beruht auf der Annahme, dass die
       Zerlegung von Primzahlen in ihre Multiplikatoren bei großen Zahlen
       herkömmliche Computer überfordert. Bei der enormen Leistung, zu der
       Quantencomputer eines Tages fähig sein könnten, sieht das schon anders aus.
       
       6 Apr 2023
       
       ## LINKS
       
   DIR [1] /Quanten-im-Forschungslabor/!5660042
   DIR [2] /Superrechner-fuer-die-NSA/!5051506
   DIR [3] /Quantencomputer/!5107251
   DIR [4] https://www.nature.com/articles/s41586-022-05434-1
   DIR [5] /NSA-soll-an-Quantencomputer-arbeiten/!5051587
       
       ## AUTOREN
       
   DIR Adefunmi Olanigan
       
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