Das Rennen um die erste Quantencomputer-Supermacht der Welt

Vom Design neuer Polymere und Pharmazeutika über die Modellierung des Klimawandels bis hin zum Knacken von Verschlüsselungen - die potenziellen Anwendungen von Quantencomputern haben ein globales Quantenwettrüsten ausgelöst.

Was ist Quantencomputing?

Seit der Geburt des Ein-Chip-Mikroprozessors vor 50 Jahren führen Computer Berechnungen durch, indem sie Bits von Informationen - Einsen und Nullen - mit winzigen Transistoren, die in Siliziumchips eingebacken sind, manipulieren. Moderne Prozessoren packen Dutzende von Milliarden Transistoren auf einen Chip von der Größe eines Fingernagels.

Das Quantencomputing macht Schluss mit den Transistoren. Stattdessen werden die Einsen und Nullen - "Qubits" genannt - aufgezeichnet, indem der Zustand von Quantenobjekten verändert wird, zum Beispiel die magnetische Ausrichtung oder der "Spin" von Elementarteilchen wie Elektronen

Die derzeit leistungsfähigsten Quantencomputer können nur ein paar Dutzend Qubits aneinanderreihen, stellen aber bei einigen Aufgaben bereits die leistungsfähigsten traditionellen Supercomputer in den Schatten.

Es ist nicht nur eine Frage der reinen Rechenleistung. Während die elektrische Ladung eines einzelnen Transistors entweder eine Eins oder eine Null darstellen kann, kann ein einzelnes Qubit dank der Eigenheiten der Quantenmechanik tatsächlich sowohl eine Eins als auch eine Null gleichzeitig darstellen

Dies ermöglicht es Quantencomputern, mehrere Ergebnisse gleichzeitig zu verarbeiten und die Anzahl der Schritte, die zur Lösung komplexer Probleme erforderlich sind, drastisch zu reduzieren - sie werden in Minuten statt in Jahrtausenden gelöst

Wer ist der Vorreiter?

Die Nutzung der Bausteine des Universums als Antrieb für die nächste Generation von Supercomputern mag wie Science-Fiction erscheinen, aber Quantencomputer sind bereits Realität. Die USA und China stecken Milliarden von Dollar in die Forschung und Entwicklung, während Europa ebenfalls stark investiert und rund um den Globus Durchbrüche erzielt werden.

Neben den Universitäten ebnen auch privatwirtschaftliche Tech-Giganten wie IBM, Microsoft, Google, Amazon, Alibaba und Baidu den Weg. Gleichzeitig arbeiten Start-ups daran, einige der Herausforderungen zu lösen, die überwunden werden müssen, damit das Quantencomputing sein volles Potenzial entfalten kann.

Im Oktober 2019 erreichte das kalifornische Forschungslabor von Google als erstes die "Quantenüberlegenheit" und führte eine Berechnung durch, die selbst für den leistungsstärksten klassischen Supercomputer praktisch unmöglich wäre. Googles 53-Qubit-Prozessor Sycamore führte in 200 Sekunden eine Berechnung durch, für die der leistungsstärkste Supercomputer der Welt 10.000 Jahre gebraucht hätte.

Die University of Science and Technology of China erreichte die Quantenüberlegenheit nur 14 Monate später und behauptete, dass ihr Jiuzhang-Quantencomputer 10 Milliarden Mal schneller sei als der von Google.

Welche Herausforderungen liegen vor uns?

Während die Quantenüberlegenheit eine große Errungenschaft ist, ist die Quantenüberlegenheit nur das Äquivalent zu Juri Gagarins erstem Weltraumflug, wenn Quantencomputing ein "Moonshot" ist. Viele Herausforderungen liegen noch vor uns und vollwertige, fehlertolerante Quantencomputer könnten noch mehr als ein Jahrzehnt entfernt sein.

Bisher wurde die Quantenüberlegenheit nur mit Computern und Berechnungen erreicht, die speziell dafür entwickelt wurden, die Stärken des Quantencomputers zu demonstrieren, aber nicht, um Probleme in der realen Welt zu lösen.

Ein wichtiger Meilenstein wird es sein, "praktische" Quantenüberlegenheit zu erreichen, wenn man reale Herausforderungen angeht, sagt Professor Andrea Morello. Morello ist Preisträger des ersten Rolf Landauer and Charles H. Bennett Award in Quantum Computing der American Physical Society und leitet eines der Quantum-Computing-Forschungsteams der University of New South Wales in Sydney, Australien.

Praktische Quantenüberlegenheit könnte noch ein Jahrzehnt entfernt sein, sagt Morello. Es ist schwer vorherzusagen, welches Problem zuerst gelöst werden wird, aber eine Möglichkeit ist die Berechnung einer chemischen Reaktion, um ein neues Medikament zu synthetisieren.

Um praktische Quantenüberlegenheit zu erreichen, sind Fehlerkorrektur und Fehlertoleranz erforderlich, ähnlich wie bei traditionellen Computern. Die Fehlerkorrektur erweist sich auf der Quantenebene als Herausforderung, da Qubits sehr störanfällig sind und nur für Millisekunden stabil bleiben, sagt Morello:

"Googles Quantenüberlegenheit wurde mit 'unkorrigierten' Qubit-Gattern erreicht, und obwohl dies beeindruckend ist, wird die Fehlerkorrektur wichtig, wenn man eine praktische Quantenüberlegenheit anstrebt, damit man dem Ergebnis genug vertrauen kann, um es in der realen Welt anzuwenden. Die Quantenfehlerkorrektur wurde im Labor demonstriert und im Moment werden viele Ressourcen investiert, um sie zu verwirklichen."

Wie werden Quantencomputer heute eingesetzt?

Während die Fortschritte auf dem Weg zur praktischen Quantenüberlegenheit weitergehen, bieten Zwischen-Quantencomputer in bestimmten optimierten Anwendungen immer noch einen Vorteil gegenüber klassischen Computern, sagt GlobalData-Absolventenanalyst Sam Holt

"Vollwertige, universelle und fehlertolerante Quantencomputer mögen noch mehr als ein Jahrzehnt entfernt sein, aber eine Reihe von Partnerschaften in jüngster Zeit haben Anwendungsfälle auf Zwischengeräten erforscht. Im Januar 2021 gab Roche beispielsweise eine Zusammenarbeit mit Cambridge Quantum Computing bekannt, um Quantensimulationen für die Entdeckung neuer Medikamente gegen die Alzheimer-Krankheit zu entwickeln."

Roche verwendet Noisy-Intermediate-Scale-Quantum (NISQ)-Algorithmen, denen die Fehlerkorrektur fehlt, die aber dennoch für einige Aufgaben nützlich sind.

Ein anderer Zwischenansatz zum Quantencomputing schlägt vor, Low-Qubit-Prozessoren neben herkömmlichen Prozessoren zu installieren, die als "Quantenbeschleuniger" fungieren. Auf diese Weise können bestimmte Aspekte der Verarbeitung von dem Quantenvorteil profitieren, ähnlich wie eine CPU bestimmte Aufgaben an eine dedizierte Grafikkarte abgeben kann.

Selbst wenn die praktische Quantenüberlegenheit erst einmal erreicht ist, ist es laut Holt wahrscheinlich, dass sich Unternehmen in einer Vielzahl von Branchen dafür entscheiden werden, Zeit auf Cloud-basierten Quantencomputern zu mieten, anstatt in eigene Hardware zu investieren.

"Quanten-Cloud-Angebote von Unternehmen wie IBM ermöglichen eine weit verbreitete Nutzung von Quantencomputern. Die Hauptanwendungen von Quantencomputing liegen in der Simulation, Optimierung, linearen Algebra und Faktorisierung. Diese Fähigkeiten werden zunehmend zu Schlüsselanforderungen in einer Vielzahl von Branchen. Unternehmen in diesen Bereichen, die nicht zumindest untersuchen, wie Quanten ihr Geschäft transformieren können, riskieren, ins Hintertreffen zu geraten."

Was sind die Anwendungen für Quantencomputing?

Berechnungen

Selbst wenn Fehlerkorrektur und praktische Quantenüberlegenheit erreicht sind, werden traditionelle Computer für die meisten Berechnungen immer noch wesentlich kleiner, billiger und praktischer sein, sagt Morello:

"Einen Quantencomputer zu benutzen, um die meisten Probleme zu lösen, ist so, als würde man eine 747 benutzen, um zum Supermarkt zu fahren. Genau wie ein Jumbo-Jet bewährt sich das Quantencomputing, wenn es darum geht, schwere Lasten zu heben."

Chemie

Die Chemie entwickelt sich zur ersten Killeranwendung des Quantencomputers und könnte der Menschheit helfen, einige ihrer größten Herausforderungen zu bewältigen. Heute erfordert die Herstellung von Ammoniak, dem Hauptbestandteil von Düngemitteln, Hochtemperaturöfen, die 2 % der weltweiten Energie verbrauchen und 1 % des CO2-Ausstoßes produzieren. Bakterien können Ammoniak bei Raumtemperatur produzieren, und Quantencomputing könnte der Schlüssel zum Verständnis und zur Replikation dieses Prozesses sein.

Neue Werkstoffe

In der Fertigung könnte das Quantencomputing zur Entwicklung neuer Chemikalien, Polymere und Legierungen eingesetzt werden. Die industrielle Fertigung kämpft immer noch damit, viele Materialien mit erstaunlichen Eigenschaften zu duplizieren, die in der Natur vorkommen, wie z. B. Spinnenseide.

Spinnenseide ist vom Gewicht her mit Stahl vergleichbar, wenn es um die Zugfestigkeit geht, aber Seide wird nicht in einem Ofen geschmiedet. Da Spinnenseide ein Protein ist, das aus DNA besteht, könnte die überlegene Fähigkeit des Quantencomputers, auf subatomarer Ebene zu modellieren, die Möglichkeit eröffnen, ähnliche Materialien auf umweltfreundliche Weise herzustellen, sagt Morello:

"Quantencomputing ist eine wirklich disruptive Technologie, die einen gigantischen Wert für die Wissenschaft, die Industrie und die Gesellschaft haben kann. Es ist eine so wirklich transformierende Technologie, dass die große Mehrheit ihrer Anwendungen Dinge sein werden, an die wir noch gar nicht gedacht haben - Quantencomputing wird helfen, neue Welten zu eröffnen."