Mehr als 0 und 1 – Der Quantencomputer von Google

Madeleine Hankele-Gauß
Quantencomputer

Getty/mviamonte

Drei Minuten statt 10.000 Jahre: Der Quantenprozessor Sycamore bricht Rekorde

Gleichzeitig „hier“ und „dort“ zu sein: Das ist in unserer schnelllebigen, globalisierten Welt für viele ein Traum. Doch im Gegensatz zur Star-Trek-Welt reicht in der realen Welt leider der schlichte Befehl „Scotty, beam mich hoch“ nicht aus, um uns ohne Zeitverlust von einem Ort zum anderen zu befördern. Ganz anders sieht es in der Welt der Quanten – der kleinsten Energie-Elementarteilchen – aus.

Die besonderen Eigenschaften der Quanten machten sich jüngst Forscher des US-amerikanischen Technologieunternehmens Google zunutze und erzielten damit einen spektakulären Erfolg. Ihr Quantencomputer mit dem Prozessor Sycamore löste eine spezielle Rechenaufgabe in nur drei Minuten, für die der aktuell schnellste Computer der Welt 10.000 Jahre benötigen würde.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Ein klassischer Computer rechnet mit „Bits“, die entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen können. Technisch wird dies mit einem Transistor umgesetzt, der den Strom- oder Spannungsfluss steuert und so als elektrischer Schalter fungiert: „Aus“ realisiert dabei den Zustand 0, „an“ den Zustand 1.

Ein Quantencomputer rechnet hingegen mit „Qubits“. Als Qubits können dabei z. B. Photonen, Atome oder Elektronen verwendet werden, auf die die Gesetze der Quantenmechanik zutreffen. Diese sind im Vergleich zum „Streifenhörnchen“ Bit das reinste Chamäleon: Sie können gleichzeitig die Zustände 0 und 1 annehmen und befinden sich dann in der sogenannten „Superposition“.

Doch das Chamäleon Qubit hat noch mehr schillernde Facetten. Sind zwei Qubits miteinander „verschränkt“, beeinflussen sie sich über Raum und Zeit hinweg derart, dass Änderungen am einen Qubit unmittelbare Auswirkungen auf das andere haben. Star Treks Vision vom Beamen ist in der Quantenwelt also bereits Wirklichkeit geworden.

Dank dieser spektakulären Eigenschaften können mithilfe von mehreren Qubits gleichzeitig unzählige Zustände berechnet werden – und das in atemberaubender Geschwindigkeit. Im Gegensatz dazu muss ein klassischer Computer diese Zustände alle einzeln berechnen und sie im Anschluss miteinander vergleichen. Ein Unterschied wie Rechenschieber zu erstem Computer.

Googles Prozessor Sycamore – ein Quantensprung?

Laut renommierten Physikern ist Google mit seinem Quantenprozessor vor allem ein Quantensprung in der Ingenieurskunst gelungen. Denn für die Rechenleistung eines Quantencomputers ist neben der Menge an verwendeten Qubits entscheidend, wie fehlerhaft diese Rechenleistung ist und wie lange sie genutzt werden kann. 

Ebenso wie die Chamäleons der Tierwelt sind Qubits sehr anfällig für Umwelteinflüsse: Ihr Superpositions-Zustand kann nur über sehr kurze Zeitspannen stabil gehalten werden und erfordert hierfür Temperaturen von mindestens minus 270 Grad. Je tiefer die Temperaturen sinken, desto weniger störende thermische Bewegung findet statt. Mit dem Quantenprozessor Sycamore hat Google es also nicht nur geschafft, den flüchtigen Quantenzustand von 53 Qubits über drei Minuten lang stabil, sondern auch die Fehlerquote der Berechnungen möglichst gering zu halten.

Trotzdem bleibt die Entwicklung neuartiger Medikamente mithilfe exakter Molekül- und Genmodelle, die Herstellung neuer Materialien im Bereich der Energiespeicher oder die Entschlüsselung von bislang als sicher geltenden Verschlüsselungsmethoden noch Zukunftsmusik. Zwar könnte der Quantencomputer das „Unmögliche“ irgendwann möglich machen. Doch bis er praxistauglich wird, müssen noch viele Rechenaufgaben gelöst, neue Softwareprogramme für Quantencomputer geschrieben und unzählige Qubits durch die Quantenwelt gebeamt werden.

Mehr Infos rund um Computer finden Sie hier.

Podcast: Was steckt hinter dem Durchbruch von Google?

Erklärvideo: Was ist ein Quantencomputer?

Madeleine Hankele-Gauß

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