Der erste Quantencomputer: Wettlauf der führenden Tech-Unternehmen

Zwischen den führenden Tech-Unternehmen, insbesondere Google und IBM, herrscht ein erbitterter Wettbewerb darum, wer als Erster den ersten universellen Quantencomputer liefern wird. Dieser verspricht, millionenfach schneller zu sein als alle heute verfügbaren Computerchips.

Die neue Technologie wird die Welt grundlegend verändern, weil sie Simulationen auf atomarer Ebene ermöglichen wird.

Ein Quantencomputer würde eine deutlich höhere Rechenleistung aufweisen als IBMs derzeitiger Supercomputer Watson, möglicherweise eine millionenfach höhere.

Von dieser Technologie erwarten viele Wissenschaftler, große Unternehmen und Unternehmer einen Quantensprung in die Zukunft.

Das Unternehmen, das als Pionier zuerst auf den Markt kommt, dürfte angesichts der Möglichkeiten der Quantentechnologie auch enorme Gewinne erzielen. Das könnte erklären, weshalb Unternehmen mit Universitäten zusammenarbeiten, um die Entwicklung von Quantenchips zu beschleunigen.

Was ist Quantencomputing?

Laut Rainer Blatt, einem Physiker und Quantenexperten in Österreich, wird das „Jahrhundert der Quantentechnologie“ Wirtschaft und Gesellschaft revolutionieren. Wissenschaftler hätten gerade erst begonnen, die Auswirkungen dieser „Revolution der Möglichkeiten“ zu verstehen.

Es ist verständlich, dass Menschen ohne Physikkenntnisse die Tragweite dieses Sprungs möglicherweise nur schwer erfassen können. Deshalb folgt hier eine Beschreibung des Quantencomputings:

Ein Quantenchip besteht aus supraleitenden Metallen (IBM verwendet Niob), die quantengeeignete Algorithmen erfordern und vom Phänomen der Superposition profitieren: Herkömmliche Chips bestehen aus Transistoren, die entweder ein- oder ausgeschaltet sind (1 oder 0), während der Quantenchip beide Zustände gleichzeitig aufweist. Das ist nur eine der Stärken eines Quantenchips.

Die kleinste Einheit, in die Computerdaten zerlegt werden, heißt Bit. Sie kann entweder eine „1“ für eingeschaltet oder eine „0“ für ausgeschaltet sein. Die Rechenleistung eines klassischen oder normalen Computers hängt von der Zahl der binären Transistoren (winzigen elektrischen Schalter) in seinem Mikroprozessor ab.

Zur Einordnung dieser Zahlen: Der erste Intel-Prozessor, der 1971 entstand, hatte 2.300 Transistoren. Heute produziert Intel Mikroprozessoren mit über 5 Milliarden Transistoren für die schnellste Verarbeitung, die klassische Computer derzeit bieten.

Bei Quantencomputern bieten die Bits beziehungsweise Qubits aufgrund der Unbestimmtheit ihres physikalischen Zustands jedoch mehr Möglichkeiten.

Dieser rätselhafte Aspekt der Quantenphysik führt zum Konzept der Superposition: Qubits können 0 oder 1 sein, oder 0 und 1. Bei klassischen Computern ist dagegen nur entweder 0 oder 1 möglich.

Durch Superposition lassen sich zwei Gleichungen gleichzeitig berechnen, wobei die Anzahl exponentiell wächst. So kann ein Qubit zwei Gleichungen berechnen, zwei Qubits vier, drei Qubits 8 und so weiter.

Das führt zu unvorstellbar großen Zahlen und schwer fassbaren Funktionsprinzipien, wenn ein Quantencomputer ebenso viele Bits haben kann wie der Intel-Prozessor von 1971 – von modernen Prozessoren ganz zu schweigen.

Der erste Quantenprozessor?

Der von IBM entwickelte Quantenprozessor arbeitet bei nahezu absolutem Nullpunkt (-273 Grad Celsius). Er befindet sich in einem weißen Zylinder, der von einer Heliumpumpe gekühlt wird.

Das ähnelt einem großen Kühlschrank, der im Vakuum arbeitet. Der Chip sitzt in der Mitte des Zylinders, umgeben von Messinstrumenten und Displays. Für seinen Betrieb ist ein qualifizierter Techniker erforderlich.

Der Chip muss in dieser extrem gekühlten Umgebung bleiben, damit die kohärenten Quantenvorgänge der Superposition und Verschränkung erhalten bleiben.

Die Qubits sind durch die Quantenmechanik unabhängig von ihrer Position im Raum miteinander verbunden. Wärme oder Licht, die in diesen Raum eindringen, könnten den Ablauf und die Leistungsfähigkeit des Computers beeinträchtigen.

Interessant ist, dass die Quantenphysik Regeln folgen muss, die wie Fiktion anmuten, damit sie erfolgreich eingesetzt werden kann.

Auf diesem Entwicklungsstand kann der Prozessor nur einfache Aufgaben ausführen. Laut Jerry Chow, einem Yale-Absolventen und leitenden Wissenschaftler, der eine der wichtigsten Forschungsgruppen bei IBM führt, ist dies dennoch ein bedeutender Schritt.

IBMs Supercomputerprojekt soll nicht nur die künstliche Intelligenz voranbringen, sondern auch den Beginn einer neuen Ära der Informationstechnologie markieren.

IBM investiert jedes Jahr Millionen von Dollar in neue Technologien. Der Großteil davon fließt in den Ausbau von Chows Team, um sicherzustellen, dass IBM den ersten marktfähigen Quantenprozessor herausbringt.

Auch andere Tech-Giganten, darunter Google, Big Blue, Intel und Microsoft, beteiligen sich an dem Wettlauf. Der größte Konkurrent ist aber möglicherweise Google, nachdem das Unternehmen im Dezember 2015 angekündigt hatte, einen Quantencomputer gebaut zu haben, der „Hunderte Millionen Mal“ schneller sei als herkömmliche Chips.

Auch die EU-Kommission kündigte im Mai 2016 an, im Rahmen eines Quanten-Masterplans eine Milliarde Euro in die Technologie zu investieren.

Was vom Quantencomputing zu erwarten ist

Ein erfolgreicher Quantencomputer dürfte Watsons Rechenleistung um das Millionenfache übertreffen. Eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit von Computern wird sich auf folgende Weise massiv auf die Wirtschaft auswirken:

1. Breiteres Anwendungsfeld

Quantenchips werden nicht nur unglaublich viel schneller sein als herkömmliche Prozessoren. Dank ihrer besonderen Eigenschaften werden sie auch komplexe Probleme besser lösen und Herausforderungen bewältigen können, an denen selbst Supercomputer wie Watson scheitern.

Das Anwendungsfeld wäre enorm. Experten glauben, dass ein Quantencomputer die Arzneimittelentwicklung revolutionieren, den Finanzsektor beeinflussen und den lange erwarteten Durchbruch der künstlichen Intelligenz ermöglichen würde.

Selbst Kryptografen glauben, dass der Quantenchip Verschlüsselungen knacken könnte, die bislang als Goldstandard der IT-Sicherheit galten. Angesichts der Komplexität eines Quantencodes wäre es physikalisch unmöglich, ihn zu entschlüsseln, was ihn außerordentlich sicher machen würde.

Die chinesische Regierung hat kürzlich ein 2.000 km langes Spezialkabel zwischen Peking und Shanghai verlegt, damit die Menschen die Möglichkeiten der Quantenkryptografie voll ausschöpfen können.

Im Allgemeinen wird von einem Quantencomputer erwartet, dass er eine Reihe von Aufgaben übernimmt, darunter:

• Lesen geheimer Nachrichten, die mit komplexen Technologien wie Diffie Hellman und RSA über das Internet übermittelt werden
• Durchführen virtueller Experimente
• Modellieren von Quantensystemen
• Durchsuchen riesiger Datenmengen

Dennoch erklärt das nicht unbedingt, welchen Nutzen Quantencomputer haben werden. Sie werden tatsächlich viel schneller sein und mehr Rechenaufgaben bewältigen können, vom Durchsuchen riesiger Datenmengen bis zur Modellierung. Weitere Anwendungen dürften noch zu entdecken sein.

2. Entlastung der Halbleiterindustrie

Auch die Halbleiterindustrie wird von Quantenchips profitieren, die ein Quantenzeitalter der Entlastung einläuten. Der Druck auf die Chipindustrie, Transistoren für kleinere Chips herzustellen, ist gewachsen, um Computer schneller und mobiler zu machen.

Die Leistungsfähigkeit von Computerchips steigt seit Jahrzehnten bemerkenswert an, wie Intel-Mitgründer Gordon Moore bereits 1965 vorhergesagt hatte. Moore erklärte, die Leistungsfähigkeit der Chips werde sich alle 1-2 Jahre verdoppeln. Dank der Innovationskraft des Unternehmens hat sich das weitgehend bewahrheitet.

Doch die Vorhersage ist beinahe an ihre physikalische Grenze gelangt, da Hersteller Schwierigkeiten haben, kleinere Schaltungen als die derzeit verfügbaren mit 14 Nanometern zu entwickeln.

3. Zusammenarbeit mit Universitäten

Die IT-Branche braucht dringend einen neuen Wachstumsschub, den Quantenprozessoren ermöglichen könnten. Intel beispielsweise kämpft mit seinem schrumpfenden PC-Geschäft. Das veranlasste das Unternehmen im Herbst 2015 zu einer Partnerschaft über 50 Millionen Dollar mit der Technischen Universität Delft, um Spezialisten der Quantenforschung mit Intel-Ingenieuren zusammenzubringen.

Zuvor hatte Microsoft bereits eine Quantenkooperation mit den Niederländern geschlossen.

Die Möglichkeiten von Quantenchips bieten Unternehmen die Chance, recht früh in die technologische Revolution einzusteigen.

Ein weiteres Unternehmen, D-Wave System, entstand als Ausgründung einer örtlichen Universität im kanadischen Burnaby und liegt bei der Entwicklung von Quantenchips nahezu auf dem gleichen Stand wie IBM.

4. Medikamente und Kampfjets

Im Jahr 2011 behauptete ein privates Unternehmen namens D-Wave, den allerersten kommerziellen Quantencomputer mit 1.000 Qubits zu besitzen. Experten stellten dies jedoch ernsthaft infrage.

Dennoch erhielt das Unternehmen mehrere Finanzierungsrunden und nahm dabei über $160 Millionen an Risikokapital auf. Zu den Investoren gehörten unter anderem die CIA, Goldman Sachs und Amazon-Gründer Jeff Bezos.

Die US-Raumfahrtbehörde NASA erklärt, D-Wave könne durch die Entwicklung von Steuerungssoftware für ihre Jets bei der Planung ihrer Weltraummissionen helfen.

Der Erfolg des Kampfflugzeugherstellers kann eine schnellere Synchronisierung von Millionen Codezeilen mit relevanteren Szenarien bedeuten. Das ist für eine F-16 entscheidend, da schon der kleinste Fehler einen Todesfall zur Folge haben kann.

D-Wave hat nicht bei jeder Vorstellung einer neuen Chipgeneration in Burnaby ein Upgrade bestellt. Viele Kunden nutzen den unternehmenseigenen Serverpark in Vancouver über die Cloud.

5. Quanten-Annealing als Vorstufe

D-Waves entwickelt Prozessoren auf Basis einer Technik, die als Quanten-Annealing oder Tunneln bekannt ist.

Im Vergleich zu den komplexen Technologien, auf denen andere Unternehmen wie Intel oder IBM aufbauen, ist der Ansatz von D-Work recht einfach und erfordert weniger Aufgaben, um zu einer Lösung zu gelangen.

Laut Jeremy Hilton, dem Leiter der Prozessorentwicklung, war die Wahl eines robusten und skalierbaren Modells der beste Ansatz für das Startup.

Allerdings kann der D-Wave-Computer keine vollständigen Molekülketten simulieren – eine der attraktivsten Eigenschaften der Quantentechnologie.

Tatsächlich konnte die erste Vorführung eines 16-Qubit-Geräts durch D-Wave nur ein Sudoku-Rätsel lösen, was wenig beeindruckend war. Das war im Jahr 2007; inzwischen arbeitet das Unternehmen an superschnellen Quantencomputern mit mehr Qubits.

Zumindest sollte ein Quantenprozessor in der Lage sein, Realitäten auf atomarer Ebene zu simulieren und Physikern damit zu ermöglichen, die Theorien von Erwin Schrodinger oder Max Planck zu überprüfen.

Quantentechnologie kann es ermöglichen, die hochkomplexen Bewegungen von Elektronen zu berechnen oder neue Medikamente beziehungsweise Materialien am Bildschirm zu entwerfen und zu testen. Damit entfiele das kostspielige Verfahren nach Versuch und Irrtum in der Pharmaindustrie.

Mark Ritter, Forscher bei IBM, hofft, mithilfe der Quantentechnologie eine Metalllegierung zu entdecken, die Strom verlustfrei übertragen kann. Eine solche Entdeckung könnte zu enormen Einsparungen führen und für einige Branchen den Beginn eines goldenen Zeitalters markieren.

6. Innovationen oder visionäre Großprojekte ermöglichen

Google, das seit 2013 einen D-Wave-Computer nutzt, teilte der NASA kürzlich mit, dass das Unternehmen von den Möglichkeiten der Technologie überzeugt sei.

Im Jahr 2014 holte Google John Martinis, einen Quantenforscher von der University of Santa Barbara, und seine Gruppe ins Unternehmen, um ein eigenes Labor für künstliche Intelligenz aufzubauen. Als Grundlage dient ein Chip, der dem von IBM ähnelt.

Von selbstfahrenden Autos über Roboter bis hin zu Kräutern zur Krebsbehandlung hat Google bereits eine Reihe visionärer Großprojekte verfolgt. Nun kommt das Quantencomputerprojekt hinzu.

Ein Erfolg der Quantentechnologie würde die Trainingssoftware und das maschinelle Lernen beschleunigen und zugleich einen bislang unerreichten Realitätsgrad bei Simulationen ermöglichen.

Damit Software die Vorderseiten von Straßenschildern erkennen kann, muss sie zunächst Millionen von Beispielbildern durchlaufen, um einigermaßen zuverlässig zu werden. Je detaillierter ein Bild ist, desto größer ist der Datenfluss.

Google-Forscher sind zuversichtlich, dass sie in etwa 2-3 Jahren den ersten marktfähigen Quantencomputer vorstellen werden, der herkömmlichen Computern überlegen ist.

Wie weit ist es noch bis zur Verwirklichung des Quantencomputings?