Blättern Sie durch die vergilbten Exemplare eines Computermagazins und Sie werden wiederholt Hinweise darauf finden, dass Quantencomputer in den letzten zehn Jahren oder länger „das nächste große Ding“ waren. Warum also gibt es bei PC World noch keine Quantencomputer in den Regalen?
Quantencomputer existieren, aber Sie müssten die Labore von Unternehmen wie Google oder IBM besuchen – nicht Ihre lokale Hauptstraße – um sie zu sehen. Wenn Sie das täten, würde sich das, was Ihnen begegnen würde, sehr von dem rechteckigen Kasten unterscheiden, der leise unter Ihrem Schreibtisch brummt.
„Quantencomputer sind eine völlig neue Technologie, die mit herkömmlichen Computern wirklich sehr wenig zu tun hat“, sagt Winfried Hensinger, Professor für Quantentechnologien an der University of Sussex. „Quantencomputer werden für Dinge eingesetzt, bei denen man das Problem nicht anders lösen kann. Selbst der schnellste Supercomputer der Welt kann Millionen oder Milliarden oder Jahre brauchen, um etwas zu berechnen, [das] ein Quantencomputer berechnen kann.“
Abgesehen von den irreführenden Schlagzeilen über die Eroberung der Welt durch Quantencomputer, was ist die wirkliche Zukunft der Technologie?
Der große Unterschied
Es ist schwierig zu erklären, wie Quantencomputer funktionieren, weil es so kontraintuitiv zu allem ist, was wir über Computer wissen – oder die Physik selbst. Herkömmliche Computer verwenden Bits, die einen von zwei Werten besitzen können, nämlich Eins oder Null. Der Computer schreibt Zeichenfolgen dieser Einsen und Nullen in den Speicher, verarbeitet sie der Reihe nach und gibt eine Antwort aus. Entscheidend ist, dass ein herkömmlicher Computer diese Berechnungen nur einzeln durchführen kann, moderne Computer erledigen dies einfach unglaublich schnell.
Ein Quantencomputer tut dasselbe – mit einem entscheidenden Unterschied. Anstelle von Bits verwendet ein Quantencomputer Quantenbits oder Qubits als grundlegende Informationseinheit. Im Gegensatz zu einem Standardbit kann ein Quantenbit sowohl Eins als auch Null sein.
„In der Quantenphysik … kann ein Atom gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten sein“, erklärt Hensinger. „Vor vielen Jahren habe ich ein Experiment durchgeführt, bei dem ich ein Atom dazu gebracht habe, sich gleichzeitig vorwärts und rückwärts zu bewegen. Stellen Sie sich also vor, Sie sitzen in Ihrem Auto, und als Sie beim Verlassen des Parkplatzes auf das Auto vor Ihnen aufprallen, treffen Sie auch auf ein Auto hinter Ihnen. Beides gleichzeitig.“
(Prof. Winfried Hensinger, Bildnachweis:University of Sussex)
Dieser Effekt ist als Quantensuperposition bekannt. Auf der Ebene eines einzelnen Qubits ist es nicht sehr nützlich. Wenn Sie jedoch ein weiteres Qubit hinzufügen, wird es interessant. „Wenn Sie zwei Quantenbits haben, können Sie gleichzeitig null-null, null-eins, eins-null, eins-eins programmieren“, sagt Hensinger. „Sie können all diese möglichen Kombinationen in diesen zwei Quantenbits speichern, und jetzt, wenn diese zwei Quantenbits in den Prozessor gehen, führt der Quantenprozessor die gesamte Berechnung gleichzeitig durch.“
Folglich steigt die potenzielle Rechenleistung eines Quantencomputers exponentiell mit der Anzahl der hinzugefügten Qubits. Die Schwelle, ab der Quantencomputer normale Computer bei bestimmten Aufgaben übertreffen können – ein Punkt, der als Quantenüberlegenheit bekannt ist – liegt bei etwa 50 Qubits. An diesem Punkt wäre ein Quantencomputer in der Lage, über eine Billiarde Berechnungen gleichzeitig durchzuführen.
Erreichen des Meilensteins
Das klingt beeindruckend, aber die 50-Qubit-Marke zu erreichen, ist schwierig – einer der Gründe, warum wir immer noch von Quantencomputern in Laboren und nicht von Server-Stacks sprechen. Quantenstaaten sind extrem zerbrechlich. Jegliche Wechselwirkungen mit der Umgebung können einen Quantenzustand leicht zerstören. Das einfache Beobachten eines Qubits in Aktion kann es dazu zwingen, einen einzigen Zustand einzunehmen – wodurch die Überlagerung zerstört wird. Es ist, als würde man mit einem sozial abgeneigten, genialen Mathematiker zusammenarbeiten, der nur arbeiten kann, wenn man ihn in Ruhe lässt. Wenn sie auch nur eine andere Person im Raum spürt, wird sie physisch zusammenbrechen und nicht mehr funktionieren.
„Es ist, als würde man mit einem sozial abgeneigten, genialen Mathematiker zusammenarbeiten, der nur arbeiten kann, wenn man ihn in Ruhe lässt“
Die Vermeidung dieses Problems erfordert eine intensive und ausgeklügelte Technik. Derzeit gibt es verschiedene Ansätze, einen Quantencomputer zu bauen. Die erste davon ist das supraleitende Quantencomputing, die Methode von Google, IBM und Intel. Dabei geht es im Wesentlichen darum, den Mikrochip, der die Schaltung trägt, bis an den Rand des absoluten Nullpunkts (-273,15 °C) zu kühlen. Dadurch kann Strom fast ohne Widerstand fließen, die ideale Umgebung für Quantenzustände.
Die zweite Methode ist als Ionenfallen-Quantencomputing bekannt, auf das sich Hensinger spezialisiert hat. Bei dieser Methode werden die Qubits ebenfalls auf den absoluten Nullpunkt gekühlt, aber stattdessen werden zwei Laser auf die Atome gerichtet, die die Qubits bilden, und die Frequenz eingestellt Die Laser kühlen also das Atom direkt. Es hat auch einen anderen Effekt. „Es gibt etwas Aufregenderes an gefangenen Ionen, nämlich dass das Ion tatsächlich schwebt“, sagt Hesigner. „Sie sind an nichts gekoppelt. Und deshalb ist es so einfach, gefangene Ionen zu manipulieren, um Quantengatter herzustellen.“
(Ein Quantencomputer mit eingeschlossenen Ionen verwendet zwei Laser, um die Qubits fast auf den absoluten Nullpunkt zu kühlen)
Beide Ansätze eignen sich perfekt für den Bau kleiner Quantencomputer. Der aktuelle Rekord liegt bei etwa 17 Qubit, und sowohl Google als auch IBM arbeiten an supraleitenden 50-Qubit-Quantencomputern (tatsächlich hat IBM kürzlich einen Prototyp eines 50-Qubit-Quantenprozessors getestet). Aber das Erreichen der Quantenüberlegenheit ist nur der erste Schritt. Um einen Quantencomputer zu bauen, der alles Praktische kann, sind viel mehr Qubits erforderlich, die je nach Problem, das Sie zu lösen versuchen, in die Milliarden gehen. Für diese Art von Maschinen sind die aktuellen Architekturen einfach nicht praktikabel. Solche Maschinen wären unglaublich groß und enorm teuer in Bau und Betrieb.
Die D-Wave-Alternative
Es gibt einen anderen Ansatz für Quantencomputing. Sie haben vielleicht schon von einem Unternehmen namens D-Wave gehört, das Quantencomputer mit einer weitaus größeren Anzahl von Qubits konstruiert hat als jeder andere auf diesem Gebiet, und kürzlich behauptete, eine Maschine mit mehr als 2.000 Qubits gebaut zu haben. Aber die Maschinen von D-Wave sind ganz andere Bestien als die von Google und IBM. Die Computer von D-Wave sind sogenannte Quanten-Annealer und arbeiten mit einer Methode, die als adiabatisches Quantencomputing bekannt ist.
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Der Hauptunterschied zwischen Quantenglühen und dem sogenannten „Gate-Model“-Quantencomputing besteht darin, dass es sich die natürliche Entwicklung von Quantenzuständen zunutze macht. „Wir beschreiben es normalerweise als Berechnung in einem Niedrigenergiezustand eines interagierenden Quantensystems“, sagt Dr. Elizabeth Crosson, Expertin für adiabatisches Quantencomputing am Caltech Institute for Quantum Information and Matter. „Diese Qubits … ihre Wechselwirkungen bestimmen ihre Energien und die Idee des adiabatischen Rechnens ist, sich im niedrigsten Zustand zu befinden.“
Dies bedeutet, dass Quanten-Annealer viel schneller skalieren können, da die Umgebung, in der die Qubits existieren, nur sehr allmählich verändert wird. Obwohl sie so leistungsfähig sein können wie andere Quantencomputer, stoßen die Qubits in ihrem natürlichen Zustand auf viel „Rauschen“, was es schwierig macht, sinnvolle Berechnungen mit ihnen durchzuführen. „In Bezug auf die Leistung der D-Wave-Maschine ist sie mit ihren 2.000 Qubits mit modernen CPUs konkurrenzfähig“, sagt Crosson.
Das bedeutet nicht, dass Quantenannealer außer Acht gelassen werden sollten. Zumindest sind sie ein guter Proof-of-Concept und nützlich, um bestimmte Arten von Problemen zu lösen. Es ist möglich, dass sie auch die Quantenüberlegenheit erreichen, wenn auch mit viel mehr Qubits als ein universeller Quantencomputer. Was Sie bei Quantenglühern wahrscheinlich nicht sehen werden, ist die massiv exponentielle Steigerung der Rechenleistung, die universelle Quantencomputer bieten werden.
„Die Leute sagen oft, dass das adiabatische Modell eigentlich ein analoger Computer ist“, erklärt Crosson. „Obwohl Sie Bits als Datentyp haben, weil Sie die Interaktionen im System reibungslos ändern und es Ihre Niedrigenergiezustände reibungslos ändert, macht es das tatsächlich zu einer Form des analogen Rechnens. Wenn Sie sich die Geschichte der klassischen Computer ansehen, waren analoge Computer in den frühen Stadien sehr wichtig und nützlich. Und dann wurden sie langfristig von digitalen Computern überflügelt.“
Was läuft darauf?
Die Hardware erreicht einen Punkt, an dem sie in der Leistung mit aktuellen Computern vergleichbar ist. Aber die Hardware ist nur die halbe Miete. Wie jeder Computer benötigen Quantencomputer Software, um zu funktionieren. Wie bei der Hardware ist auch die Quantensoftware sehr unterschiedlich, sowohl in der Art und Weise, wie sie dem Quantencomputer bei der Arbeit hilft, als auch in seinen praktischen Anwendungen.
Ein merkwürdiges Problem bei der Verwendung eines Quantencomputers besteht darin, dass der Computer, da er viele Berechnungen gleichzeitig durchführt, auch mehrere Antworten liefert. Der Benutzer möchte natürlich normalerweise nur eine Antwort. Aber wenn Sie versuchen, diese Antwort falsch auszulesen, bricht der Quantenzustand zusammen und der Computer spuckt eine zufällige Antwort aus. „Wenn Sie es für Berechnungen verwenden möchten, müssen Sie der Mischung eine weitere Zutat hinzufügen“, sagt Harry Buhrman, Professor für Informatik an der Universität Amsterdam und Direktor des Forschungszentrums für Quantensoftware, QuSoft.
(Harry Buhrman. Bildnachweis:Universität Amsterdam)
Dieser Bestandteil ist als Interferenz bekannt, ein Phänomen, bei dem Partikel wie Wellen wirken. „Im Schwimmbad haben Sie Wellen, und wenn Sie dann zwei auf zwei Seiten Ihres Beckens machen, dann stören sie sich dort, wo sie sich treffen“, erklärt Buhrman. „Sie können konstruktiv interferieren und Sie erhalten höhere Wellen, oder sie können destruktiv interferieren und Sie erhalten keine Wellen. Dasselbe wollen wir mit Quantencomputern erreichen, und das heißt, Sie machen diese Überlagerung all dieser Berechnungen, aber dann erlaubt Ihnen die Natur, dass sie sich gegenseitig stören. Wenn Sie dies richtig machen, stören Sie die Berechnungen, die Sie nicht wegsehen möchten, und verstärken die, die Sie sehen möchten.“
This is very tricky to achieve, as the nature of the interference pattern you want changes depending on the type of computation you’re trying to perform, and even then it only works for certain kinds of problems.
So, what exactly are quantum computers useful for? For the current and near-future quantum computers – those achieving quantum supremacy with 50 to 100 qubits – the answer is not very much at all. “The sort of problems that we’re looking at are very mathematical in nature,” says Michael Bremner, professor in quantum computation at the University of Technology Sydney, who specialises in these specific, current-generation problems. “They’re more about developing milestones and benchmarking devices. The sort of algorithms I’m working on right now, they’re randomised computations, which, if you look at the output, it would take you a very, very large amount of processing to understand there’s anything other than complete randoms coming out of the device.”
Even when we arrive at practical quantum computers, which could take another 20 years, they will only perform exponentially faster than a conventional computer for a limited number of applications. Perhaps the most significant of these is their ability to simulate other quantum systems, namely atomic structures and chemical reactions. Electrons around an atom also exist in superposition, and with current computers, it’s very hard to calculate how they behave. “Every time you add an electron, the possibilities double, or even more than double, and with just a very few number of electrons, the possibilities are so big we cannot compute any more what happens on our classical computer,” Buhrman explains. “But on a quantum computer, which is inherently quantum mechanical, you can simulate these reactions.”
Being able to simulate chemical systems with such accuracy may enable us to design better medicines, better materials, and overhaul our ability to understand how the fundamental building blocks of the universe work, which is a pretty big deal.
When quantum computers arrive on the scene, public-key encryption will no longer be secure
The other commonly touted function of practical quantum computers is their ability to crack public-key encryption, such as that used by modern web browsers. When quantum computers arrive on the scene, this form of encryption will no longer be secure. This isn’t necessarily the most exciting use of quantum computers, but it is arguably the most relevant.
Indeed, Buhrman is keen to emphasise the significance of this ability, and how it is urgent we respond to it now, even though large-scale quantum computers don’t yet exist. “What will happen is that people can intercept this information. They cannot read it, they cannot decrypt it, but they can store it and save it for later, and then once the quantum computer is available, they can decrypt what [is] being sent now.”
There are new methods of encryption currently being explored to counter this future vulnerability. One simply involves more complex encryption on classical computers, such as Google’s New Hope program. “The problem here is that we’re never sure that this actually cannot be broken by quantum computer,” Buhrman observes. “Maybe someone comes up with a fast algorithm soon and breaks them.”
The other method involves sending information encrypted in a quantum-state as photons along a fibre-optic cable. This would work because the moment anyone tried to intercept the information, the quantum state would be disturbed, alerting the sender to the interception. At the moment, this only works over short ranges of around 300 kilometres. “The problem is that if you send photons through fibre, which is how the qubits are coded, then actually the fibre will observe the photons.”
These are the functions we know quantum computers excel at. But the truth is there may be many future applications that we simply cannot predict, just as the pioneers of conventional computing in the 1940s could not predict that we would be using them today for worldwide communication and sharing of information. It’s entirely possible that quantum computers will change the world in ways we cannot possibly imagine.
Back to reality
But let’s stop the star gazing. People have been making wide-eyed predictions about the impact of quantum computers for decades. Is there any hard evidence these things are anything but the ultimate vapourware?
The immediate next step is quantum supremacy. It is highly likely that a quantum computer will perform a very contrived computation faster than a conventional computer in the next year or two, but it won’t be a straightforward process. “The next thing is someone will say ‘Well I can run that on my supercomputer, and here’s the data’”, Bremner says. “What I’m interested in right now, what I’m developing as a next step, is to show how you can do this in an unambiguous way.”
Once supremacy has been confirmed, then it’s about ramping up the qubits to the point where quantum computers can solve practical problems. Typically, this is estimated to be up to 20 years away. But recent research by Hensinger and his students may reduce this estimate dramatically. 
Last year, Hensinger and his team published a paper which demonstrated that, instead of using lasers to trap ions, the same result can be achieved by applying a voltage to a microchip. “We’ve kind of simplified the problem in a way that’s the same as a conventional computer, which is you have transistors in a conventional computer processor, and that’s basically applying a voltage to execute a logical gate,” he says.
This led to the development of a blueprint for a large-scale quantum computer. “When I say large-scale, what do I mean? I don’t mean 50, or 70, or 85, or 250 [qubits], I mean a billion.” Hensinger and his team are currently constructing a prototype of the computer in his Brighton lab, which he estimates will be completed in the next 18 months to two years.
Quantum computing is coming. “For myself, someone who’s worked on the theory side, it’s kind of amazing that we’re getting to the point where we’re gonna test some of the things I’ve worked on,” says Bremner.
But what if, after all the effort, they reach the point where they switch the thing on and it doesn’t work? “The point we are now in quantum computing, either it’s going to work the way we predicted it to work, or we’re going to learn about new physics we didn’t know anything about,” Bremner says. Here’s hoping he doesn’t get the consolation prize.
Lead image:Prof Winfried Hensinger and Dr Seb Weidt with a quantum computer prototype. Credit:University of Sussex