Tech-Konzerne ringen um den ersten Quantencomputer

Führende Tech-Konzerne, allen voran Google und IBM, kämpfen erbittert darum, wer den ersten universellen Quantencomputer bereitstellt. Er verspricht, Millionen Mal schneller zu sein als jeder heute verfügbare Computerchip.

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

Ein Quantencomputer hätte eine deutlich höhere Rechenleistung als IBMs derzeitiger Supercomputer Watson – möglicherweise um das Millionenfache.

Von dieser Technologie erwarten viele Wissenschaftler, Großunternehmen und Unternehmer einen gewaltigen Sprung in die Zukunft.

Wer als Erstes auf den Markt kommt, dürfte dank der Möglichkeiten der Quantentechnologie auch enorme Gewinne erzielen. Das könnte erklären, warum Unternehmen mit Universitäten zusammenarbeiten, um die Entwicklung von Quantenchips zu beschleunigen.

Was ist Quantencomputing?

Nach Einschätzung von Rainer Blatt, Physiker und Quantenexperte in Österreich, wird das „Jahrhundert der Quantentechnologie“ Wirtschaft und Gesellschaft revolutionieren. Die Wissenschaft beginne gerade erst, die Auswirkungen dieser „Revolution der Möglichkeiten“ zu verstehen.

Ohne physikalische Fachkenntnisse sind die Folgen dieses Sprungs verständlicherweise schwer zu erfassen. Deshalb zunächst eine Erklärung des Quantencomputings:

Ein Quantenchip besteht aus supraleitenden Metallen – IBM verwendet Niob –, die quantengeeignete Algorithmen erfordern und sich das Phänomen der Superposition zunutze machen: Bei herkömmlichen Chips sind Transistoren entweder ein- oder ausgeschaltet (1 oder 0), während der Quantenchip beide Zustände gleichzeitig aufweist. Das ist nur eine seiner Stärken.

Die kleinste Einheit, in die Computerdaten zerlegt werden, heißt Bit. Sie kann entweder den Wert „1“ für eingeschaltet oder „0“ für ausgeschaltet annehmen. Die Rechenleistung eines klassischen, also normalen Computers hängt von der Zahl der binären Transistoren ab, die sein Mikroprozessor enthält. Dabei handelt es sich um winzige elektrische Schalter.

Zur Einordnung dieser Zahlen: Der erste Intel-Prozessor von 1971 besaß 2.300 Transistoren. Heute fertigt Intel Mikroprozessoren mit mehr als 5 Milliarden Transistoren, die die derzeit höchste Verarbeitungsgeschwindigkeit klassischer Computer ermöglichen.

Bei Quantencomputern bieten die Bits, auch Qubits genannt, dagegen mehr Möglichkeiten, weil ihr physikalischer Zustand unbestimmt ist.

Dieser rätselhafte Aspekt der Quantenphysik führt zum Konzept der Superposition: Qubits können 0 oder 1 sein, aber auch 0 und 1 zugleich. Klassische Computer kennen hingegen nur entweder 0 oder 1.

Durch Superposition lassen sich zwei Gleichungen gleichzeitig berechnen, wobei die Möglichkeiten exponentiell wachsen: Ein Qubit kann zwei Gleichungen berechnen, zwei Qubits vier, drei Qubits acht und so weiter.

Hätte ein Quantencomputer so viele Bits wie der Intel-Prozessor von 1971, ergäben sich bereits unvorstellbar große Zahlen und kaum fassbare Rechenkonzepte – von der Bitzahl moderner Prozessoren ganz zu schweigen.

Der erste Quantenprozessor?

Der von IBM entwickelte Quantenprozessor arbeitet nahe dem absoluten Nullpunkt (−273 °C). Er befindet sich in einem weißen Zylinder, den eine Heliumpumpe kühlt.

Die Anordnung ähnelt einem großen Kühlschrank, der im Vakuum arbeitet. Der Chip sitzt in der Mitte des Zylinders, umgeben von Messgeräten und Anzeigen. Für den Betrieb ist eine qualifizierte Fachkraft nötig.

Diese extrem kalte Umgebung ist erforderlich, um die kohärenten Quantenvorgänge der Superposition und Verschränkung aufrechtzuerhalten.

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

Bemerkenswert ist, dass die Quantenphysik Regeln folgen muss, die wie Fiktion wirken, damit das Verfahren funktioniert.

In diesem Stadium kann der Rechner nur einfache Aufgaben bewältigen. Dennoch sei das ein großer Schritt, sagt Jerry Chow, Yale-Absolvent und leitender Wissenschaftler einer der wichtigsten Forschungsgruppen bei IBM.

IBMs Supercomputer-Projekt soll nicht nur die künstliche Intelligenz voranbringen, sondern auch eine neue Ära der Informationstechnik einleiten.

IBM investiert jedes Jahr Millionen US-Dollar in neue Technologie. Der größte Teil davon fließt in den Ausbau von Chows Team, damit IBM den ersten marktfähigen Quantenprozessor herausbringt.

Auch andere Tech-Riesen, darunter Google, Big Blue, Intel und Microsoft, beteiligen sich an dem Wettlauf. Der wohl größte Konkurrent ist allerdings Google: Das Unternehmen gab im Dezember 2015 bekannt, 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 erfolgreich entwickelter Quantencomputer sollte Watsons Rechenleistung um das Millionenfache übertreffen. Schnellere Computer werden die Wirtschaft in folgenden Bereichen erheblich beeinflussen:

1. Breiteres Einsatzgebiet

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

Das Einsatzgebiet wäre riesig. Fachleute gehen davon aus, dass ein Quantencomputer die Arzneimittelentwicklung revolutionieren, den Finanzsektor beeinflussen und der künstlichen Intelligenz zum lange erwarteten Durchbruch verhelfen würde.

Selbst Kryptografen glauben, dass der Quantenchip Verschlüsselungen knacken könnte, die bislang als Goldstandard der IT-Sicherheit galten. Einen Quantencode zu entschlüsseln, wäre angesichts seiner Komplexität hingegen physikalisch unmöglich, was ihn äußerst sicher machen würde.

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

Grundsätzlich soll ein Quantencomputer unter anderem folgende Aufgaben übernehmen können:

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

Damit ist allerdings noch nicht unbedingt erklärt, 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 erst noch entdeckt werden.

2. Entlastung für die Halbleiterindustrie

Auch die Halbleiterindustrie wird von Quantenchips profitieren: Das Quantenzeitalter wird sie entlasten. Der Druck auf die Chipbranche, Transistoren für kleinere Chips herzustellen, ist stetig gestiegen, damit Computer schneller und mobiler werden.

Die Leistungsfähigkeit von Computerchips wächst seit Jahrzehnten beträchtlich, wie es Intel-Mitgründer Gordon Moore bereits 1965 vorhergesagt hatte. Moore erklärte, sie werde sich alle ein bis zwei Jahre verdoppeln. Dank der Innovationskraft des Unternehmens hat sich das weitgehend bewahrheitet.

Doch diese Vorhersage stößt inzwischen fast an physikalische Grenzen: Die Hersteller haben Schwierigkeiten, noch 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 etwa kämpft mit seinem schrumpfenden PC-Geschäft. Deshalb ging das Unternehmen im Herbst 2015 eine Partnerschaft im Umfang von 50 Millionen US-Dollar mit der Technischen Universität Delft ein, um Fachleute aus der Quantenforschung mit Intel-Ingenieuren zusammenzubringen.

Zuvor hatte bereits Microsoft eine Quantenkooperation mit den Niederländern geschlossen.

Die Möglichkeiten von Quantenchips bieten Unternehmen die Chance, relativ früh an der technologischen Revolution teilzuhaben.

Ein weiteres Unternehmen, D-Wave System, entstand als Ausgründung einer örtlichen Universität im kanadischen Burnaby. Bei der Entwicklung von Quantenchips liegt es nahezu gleichauf mit IBM.

4. Medikamente und Kampfjets

2011 behauptete ein Privatunternehmen namens D-Wave, den weltweit ersten kommerziellen Quantencomputer mit 1.000 Qubits zu haben. Fachleute zweifelten das jedoch stark an.

Dennoch nahm das Unternehmen in mehreren Finanzierungsrunden mehr als 160 Millionen US-Dollar Risikokapital ein. Zu den Investoren gehörten die CIA, Goldman Sachs und Amazon-Gründer Jeff Bezos.

Nach Angaben der US-Raumfahrtbehörde NASA kann D-Wave bei der Planung ihrer Weltraummissionen helfen, indem das Unternehmen Steuerungssoftware für ihre Jets entwickelt.

Der Erfolg des Kampfflugzeugherstellers kann bedeuten, dass sich Millionen Codezeilen schneller mit mehr relevanten Szenarien abgleichen lassen. Bei einer F-16 ist das entscheidend, denn schon der kleinste Fehler kann einen Menschen das Leben kosten.

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

5. Quanten-Annealing als Vorstufe

D-Waves entwickelt Prozessoren auf Grundlage eines Verfahrens, das als Quanten-Annealing oder Tunneln bekannt ist.

Verglichen mit den komplexen Technologien, auf die andere Unternehmen wie Intel oder IBM setzen, ist der Ansatz von D-Work recht einfach: Er benötigt weniger Arbeitsschritte, um zu einer Lösung zu gelangen.

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

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

Bei der ersten Vorführung eines Geräts mit 16 Qubits konnte D-Wave tatsächlich nur ein Sudoku lösen, was wenig beeindruckend war. Das war 2007; inzwischen arbeitet das Unternehmen an extrem schnellen Quantencomputern mit mehr Qubits.

Zumindest sollte ein Quantenprozessor die Wirklichkeit auf atomarer Ebene simulieren können, sodass Physiker die Theorien von Erwin Schrodinger oder Max Planck überprüfen können.

Mit Quantentechnologie ließen sich die hochkomplexen Bewegungen von Elektronen berechnen. Auch neue Medikamente oder Materialien könnten am Bildschirm entworfen und getestet werden, wodurch das kostspielige Ausprobieren in der Pharmaindustrie entfiele.

Mark Ritter, Forscher bei IBM, hofft, mithilfe der Quantentechnologie eine Metalllegierung zu entdecken, die Strom verlustfrei übertragen kann. Eine solche Entdeckung könnte enorme Einsparungen ermöglichen und für einige Branchen ein goldenes Zeitalter einläuten.

6. Innovationen und „Moon Shots“ ermöglichen

Google nutzt seit 2013 einen D-Wave-Computer und teilte der NASA kürzlich mit, von den Möglichkeiten der Technologie überzeugt zu sein.

2014 holte Google den Quantenforscher John Martinis von der University of Santa Barbara und sein Team ins Unternehmen, um ein eigenes Labor für künstliche Intelligenz aufzubauen. Grundlage ist ein Chip, der dem von IBM ähnelt.

Von selbstfahrenden Autos über Roboter bis hin zu Kräutern zur Krebsbehandlung hat Google bereits eine Reihe von „Moon Shots“ verfolgt. Nun kommt das Quantencomputer-Projekt hinzu.

Ein Erfolg der Quantentechnologie würde Trainingssoftware und maschinelles Lernen beschleunigen und zugleich Simulationen mit einem bisher unerreichten Realitätsgrad ermöglichen.

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

Die Google-Forscher sind zuversichtlich, in etwa zwei bis drei Jahren den ersten marktfähigen Quantencomputer vorzustellen, der herkömmlichen Computern überlegen ist.

Wie weit ist es noch bis zum Quantencomputing?