Bild: Stephan Schmitz Lösung gefunden: Nach langem Tüfteln wissen Forscher nun, wie sie den ersten grossen Quantencomputer bauen können.
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Willkommen in der Welt der Quantenphysik. Hier herrschen andere Gesetze als in unserem Alltag. Und es geschehen eigenartige Dinge, sobald wir betrachten, was die Welt im Kleinsten zusammenhält. Da gibt es zum Beispiel winzige Teilchen, kleiner als einzelne Atome, die sich nicht an einem, sondern gleichzeitig an mehreren Orten befinden. Oder zwei Teilchen, die wie durch Telepathie miteinander verbunden sind und stets dasselbe tun, obschon sie kilometerweit voneinander entfernt sind.

Uns mögen diese Dinge kurios erscheinen. Doch sollte es Forschern gelingen, die Welt der Quanten zu zähmen, beginnt damit eine technische Revolution: Es entsteht eine neue Generation von Computern, welche die heute besten Supercomputer wie Taschenrechner dastehen lassen. Lange Zeit war das blosse Theorie und niemand wusste, ob man richtig funktionierende Quantencomputer jemals bauen kann.

Doch das hat sich letztes Jahr schlagartig geändert. Forscher von der Universität Sussex in England haben einen konkreten Bauplan für den ersten grossen Quantencomputer vorgelegt. Mit schon heute verfügbaren Technologien soll auf diese Weise eine Maschine gebaut werden können, die eine nie da gewesene Rechenleistung erreicht.

Angriff auf Passwörter im Internet

Gerät eine solche Maschine jedoch in die falschen Hände, stehen wir vor einem gewaltigen Problem. «Ein Quantencomputer könnte die meisten heutigen Verschlüsselungscodes problemlos knacken», sagt James Wootton, Quantenphysiker an der Universität Basel. Ein Grossteil des Datenverkehrs im Internet – E-Mails und Kurznachrichten, Seiten von Banken und Onlineshops – ist heute mit einer ausgefeilten Technologie verschlüsselt. Um diese zu knacken, braucht man zwar bloss mathematische Rechnungen zu lösen. Doch heute bräuchten diese unrealistisch viel Rechenleistung: «Wir müssten dazu einen Computer bauen, der so gross ist wie ein ganzer Planet», sagt Wootton. Ein Quantencomputer dagegen könnte dieselbe Leistung locker erreichen. Die britischen Wissenschaftler erwarten beispielsweise, dass aus ihrem Bauplan eine Maschine entsteht, die gängige Verschlüsselungen in etwas mehr als hundert Tagen knacken kann. Zum Vergleich: Herkömmliche Computer bräuchten dafür länger als das gesamte bisherige Alter des Universums – über 13 Milliarden Jahre.

Doch weshalb schaffen Quantencomputer, was für bisherige Technologien unerreichbar bleibt? Das Geheimnis liegt in einem wichtigen Unterschied in ihrer Funktionsweise. Heutige Computer beruhen auf einzelnen Informationspaketen, den Bits, die entweder null oder eins sein können. Das ist bei Quantencomputern anders: Sie funktionieren mit sogenannten Qubits. Die können nicht nur null oder eins sein, sondern auch alle Zustände dazwischen annehmen. Und zwar gleichzeitig. Dafür sorgt ein Phänomen aus der Quantenwelt, das sich Überlagerungszustand nennt. Dieser besagt, dass der Zustand eines Objektes nicht eindeutig sein muss, sondern dass verschiedene, eigentlich gegensätzliche Zustände gleichzeitig vorkommen können (siehe Box unten). So lassen sich alle möglichen Varianten einer Formel nicht nacheinander, sondern gleichzeitig durchrechnen. Geht es nach dem Bauplan der britischen Wissenschaftler, wird ihr Quantencomputer dereinst 2 Milliarden Qubits enthalten. Das erklärt seine enorme Rechenleistung.

Auch wenn nun ein Bauplan existiert: Bis der erste Quantencomputer von dieser Komplexität gebaut wird – er soll die Grösse eines Fussballfeldes haben und über 120 Millionen US-Dollar kosten –, werden noch viele Jahre vergehen. Doch schon heute machen verschiedene Firmen erste Gehversuche mit der Technologie. Zum Beispiel hat IBM einen Quantencomputer mit fünf Qubits gebaut. Damit lassen sich zwar noch nicht einmal eins und eins zusammenzählen. Doch der Computer beweist, dass das Prinzip funktioniert.

Unknackbare Codes aus der Schweiz

Neben Computern gibt es noch andere Anwendungen der Phänomene aus der Quantenphysik. Wissenschaftler der Genfer Firma ID Quantique zum Beispiel benutzen einzelne Lichtteilchen, die sie durch eine Glasfaserleitung versenden, etwa von einem Datencenter einer Bank zu einem andern. Versucht jemand, die Daten abzufangen und zu lesen, wird der Empfänger automatisch alarmiert. Denn im Gegensatz zu normalen Bits verändern sich Qubits, sobald jemand die Daten liest. «So bleibt kein Lauschangriff unbemerkt», sagt Grégoire Ribordy, CEO der Firma. Da diese Methode auf einem unveränderbaren Naturgesetz beruht, werden sie auch die besten Quantencomputer nicht knacken können.

Auch andere Gebiete werden von der Quantenphysik profitieren, etwa Chemie, Biologie und Medizin, wo genauere Simulationen von Atomen und Molekülen zu neuen Medikamenten führen können, sagt Ribordy. Oder die künstliche Intelligenz, die noch weitaus komplexere Aufgaben übernehmen können wird, als sie das jetzt bereits tut. «Überall dort, wo es heute an Rechenleistung mangelt, werden Quantencomputer einen riesigen Nutzen haben.»

Gleichzeitig tot und lebendig

Um ein Phänomen der Quantenphysik zu erklären, ersann der Wiener Physiker Erwin Schrödinger im Jahr 1935 ein Gedankenexperiment mit folgenden Zutaten: eine verschlossene Kiste, darin eine radioaktive Substanz, ein Geigerzähler, eine Flasche Gift, ein Hämmerchen – und eine Katze.

Während einer Stunde wartet der Geigerzähler in der Kiste darauf, ob die radioaktive Substanz zerfällt und Strahlung aussendet – die Wahrscheinlichkeit dafür ist genau 50 Prozent. Tut sie das, wird das Hämmerchen aktiviert, welches darauf die Giftflasche zerschlägt und die Katze tötet. Allerdings kann man bei der Substanz nicht voraussehen, ob sie innert der Stunde auch wirklich zerfällt. Von aussen betrachtet können wir daher nicht sicher sein, ob die Katze in der Kiste noch lebt. So ist sie eigentlich gleichzeitig tot und lebendig. Erst wenn jemand die Kiste öffnet, wird der Zustand der Katze eindeutig.

Die Erstversion dieses Beitrags erschien am 17. Februar 2017.

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