Quantencomputer: Wenn 0 und 1 gleichzeitig existieren

Die klassische Informatik ist klar in Binärcode strukturiert. Ein Bit, das kleinste aller Elemente, kann maximal zwei Zustände haben: 0 oder 1. Dieses Paradigma versuchen Forscher auf der ganzen Welt schon seit einigen Jahren aufzubrechen. Ihr Ziel ist die Erschaffung eines Quantencomputers, der sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze macht, um Berechnungen anzustellen. Solche Rechner könnten aufgrund ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften klassische Verschlüsselungsalgorithmen, die bisher nur mit großem Aufwand geknackt werden konnten, deutlich schneller auflösen. Wofür auf klassischer Binärtechnik basierende Computer Jahre benötigen, könnte mit einem Quantencomputer binnen Sekunden entschlüsselt werden. Das ist einer der Gründe, warum auch Geheimdienste sehr an dieser Technologie interessiert sind.

Die Messung bestimmt den Zustand

Kern eines Quantencomputer sind Qubits. Analog zu Bits besitzen sie maximal zwei Zustände, die durch Messung bestimmbar sind. Allerdings lassen sich Qubits nur durch die Gesetze der Quantenmechanik korrekt beschreiben. In einem Bit müssen immer 0 und 1 vorhanden sein, es funktioniert gewissermaßen wie ein Lichtschalter. Bei einem Qubit sieht die Sache wieder anders aus. Je nach Art und Weise der Messung können seine Zustände 0, 1 oder eine Überlagerung der beiden sein. Deutlich komplexer wird die Sache, wenn man mehrere Qubits zu einem Register zusammenschließt.

Aufgrund der Quantenverschränkung kann nur noch der Gesamtzustand des Registers ausgelesen werden, aber nicht mehr der Zustand einzelner Qubits. Die Zustände eines solchen Registers können sogar gleichzeitig dargestellt werden. Aufgrund dieser parallelen Fähigkeiten ergibt sich die bei bestimmten Aufgaben theoretisch höhere Rechenleistung der Quantencomputer.

Komplexe Apparaturen

Dadurch, dass Quantencomputer dermaßen unterschiedlich von herkömmlichen Computern arbeiten, steckt die Technik noch in den Kinderschuhen. Kann man heutzutage schon leistungsfähige Laptops einfach in den Rucksack stecken, so existieren Quantencomputer nur als komplexe Apparaturen auf riesigen Labortischen. Und auch hier freut man sich, wenn man ein paar wenige Qubits zur Zusammenarbeit bewegen kann. In der klassischen Informatik sorgen Feedback-Schleifen dafür, dass Informationen sich teilweise sogar automatisch korrigieren. Stimmt ein Zustand nicht mit dem erwünschten Ergebnis überein, sucht sich das System einen anderen oder gibt eine Fehlermeldung aus. Dazu muss aber der aktuelle Zustand des Systems gemessen werden. Macht man das bei einem Quantencomputer, greift man in das System ein und verändert es. Die Ergebnisse werden dann wieder unvorhersehbar.

Erste Quanten-Chips

Die Forschung leidet an den Einschränkungen der klassischen Computertechnik. Idealerweise bräuchte man einen Quantencomputer, der einen Quantencomputer simuliert. Doch bisher gelang es höchstens, ganz simple Systeme zu erschaffen. In einem Experiment gelang es bereits, so etwas wie einen Quanten-Chip zu erschaffen, der auf Ein- und Ausgaben reagiert. Ein theoretischer Durchbruch gelang Forschern, unter anderem von der Universität Wien, bei der Berechnung eines komplexen Algorithmus auf Quantensystemen. Dabei werden "negative Wahrscheinlichkeiten" genutzt, die im Alltag eigentlich keinen Sinn ergeben.

Quantencomputer in zehn Jahren fertig?

Vor einem Jahr dachte man noch, ein brauchbarer Quantencomputer werde erst in 25 Jahren existieren. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen vermuten Forscher aber, dass sich diese Zeitspanne auf zehn Jahre verkürzen könnte. Zumindest zeigten sich die Entwickler eines optischen Quanten-Chips an der Universität Bristol davon überzeugt. Sollte das tatsächlich der Fall sein, würde das nicht nur Forscher freuen. Neben den offensichtlichen Anwendungen in der Kryptografie gibt es noch andere relevante Bereiche, in denen Quantencomputer vorteilhaft wären. So könnten damit etwa die Eigenschaften von einer Legierung, Flüssigkeit oder von Plasma korrekt vorhergesagt werden. Mit heutigen Mittel sind nur Näherungswerte möglich.