Der schwierige Weg vom Quantenprinzip zum nützlichen Computer

Quantentechnologie wird für viele Länder zu einem strategischen Schwerpunkt und erzeugt einen globalen Wettbewerb. China, Großbritannien, Japan, Kanada, Australien, Deutschland, Frankreich, Russland, Israel, Singapur und viele andere Länder haben langfristige und ehrgeizige Programme. Es gibt Tausende von Unternehmen im Quanten-Ökosystem, und einige Dutzend Unternehmen konzentrieren sich auf den Bau von Computern. Einige erste Prototypen von Quantencomputern wurden bereits vorgestellt.

Im letzten Juni kündigten die USA die Initiative "Quantum Genesis Initiative" an. Sie mobilisiert nationale Ressourcen, um bis 2028 einen fehlertoleranten Quantencomputer mit praktischem wissenschaftlichem Wert zu bauen. China kündigte an, einen eigenen Standard für Post-Quanten-Kryptographie (PQC) zu entwickeln, unabhängig von den Standards von NIST (USA) oder ETSI (Europa). Die Aussicht auf eine "Quantenrevolution", die an die Errungenschaften der Halbleitertechnologie und der künstlichen Intelligenz anknüpft, ist besonders faszinierend. Allerdings gibt es Übertreibungen und Missverständnisse in diesem modernen Bereich. In einem sich verändernden globalen Quantenwettbewerb ist es wichtig, strategische Risiken objektiv und rational zu bewerten, den wissenschaftlichen Wert von Übertreibungen zu trennen und so die Effizienz zu sichern und systematische Fehler bei der Verteilung nationaler und unternehmerischer Ressourcen zu vermeiden. Dieser Artikel verfolgt einen solchen Blick.

Simulation eines Quantencomputers im Serverraum. Foto: Phonlamai Photo/ Shutterstock

Die seltsame, aber nicht neue Quantenwelt

2025 markiert 100 Jahre seit der Entstehung der Quantenmechanik, einem Bereich der Physik, der die Natur der Materie auf atomarer Ebene untersucht. In einer Welt, in der Größen und Abstände in Nanometern (ein Milliardstel Meter) oder kleiner gemessen werden, verhalten sich die grundlegenden Bausteine der Materie wie Atome und Elektronen nicht nach unserer normalen Intuition. Genau dadurch ergeben sich ungewöhnliche Effekte und Anwendungen. Sie sind sowohl Welle als auch Teilchen, sie können gleichzeitig in verschiedenen Zuständen sein, sie können auf eine Weise "verschränkt" sein, die nur in dieser seltsamen Welt existiert, und sie erlauben uns nicht, "alle Informationen" über sie zu kennen. Die Quantenmechanik wird durch ein wunderschönes mathematisches System beschrieben und wird seit Generationen an Universitäten weltweit gelehrt. Diese seltsamen Eigenschaften führten seit den 1940er Jahren zur ersten industriellen Revolution der Quantenphysik: Halbleiter, Transistoren, integrierte Schaltungen, Satellitenkommunikation und globale Navigation, Laser, Solarzellen, Magnetresonanztomographie und viele andere Technologien prägten das moderne Leben. Heute bewegen wir uns zur zweiten Quantenrevolution, bei der Quantenüberlagerung, Quanteninterferenz und Quantenverschränkung genutzt werden, um größere Erwartungen in Quantencomputing, Quantenkommunikation, Sensorik und Quantenkryptographie zu erfüllen.

Abbildung 1: Grobe Skizze des Quantencomputing-Ökosystems. Vereinfacht zielen Quantenmaterialien auf Materialien/Geräte, deren Eigenschaften typische Quanteneigenschaften haben und zum Bau von Quantencomputern verwendet werden können. Mit Quantenalgorithmen und Quantenberechnung wird Quantenphysik zur Informationsverarbeitung genutzt. Anwendungen des Quantencomputings können Material- und Medikamentendesign, Quantenkryptographie usw. umfassen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf Quantencomputing, ein Gebiet mit einem vielfältigen und wachsenden wissenschaftlichen Ökosystem. In einer einfachen Klassifikation (Abbildung 1) umfasst dieses System Quantenmaterialien, Quantencomputer und Quantenalgorithmen und -methoden. In diesem Ökosystem ist der Bau eines Quantencomputers, der stark genug für praktische Probleme und fehlertolerant ist, eine große Herausforderung für Technologen, Physiker, Materialwissenschaftler, Informatiker und auf höherer Ebene auch für Manager und Politiker. Wir scheinen noch einige Zeit von diesem Ziel entfernt zu sein, und 2028 könnte ein interessanter Zeitpunkt sein, wie am Anfang erwähnt. In der Zwischenzeit sind die vorgestellten Prototypen noch sehr primitiv und können die praktischen Probleme, die normale Computer lösen, noch nicht bewältigen. Warum ist das so?

Die Quelle der Stärke von Quantencomputern

Normale Computer verarbeiten Informationen mit Bits, die den Wert 0 oder 1 haben. Quantencomputer verwenden Qubits, die nach dem Prinzip der Überlagerung jede lineare Kombination von 0 und 1 annehmen können (Abbildung 2a). Wenn viele Qubits kombiniert werden, wird der Zustandsraum, den das System verarbeiten kann, extrem groß, einschließlich komplexer Zustände von Qubits, wenn sie "verschränkt" sind. In diesem Zustandsraum arbeiten Quantenalgorithmen mit einer ganz anderen Struktur als normale Computer.

![Abbildung 2(a) Die Bloch-Kugel, eine visuelle Darstellung der möglichen Zustände eines Qubits. Die beiden Pole der Kugel entsprechen den Basiszuständen 0 und 1; andere Punkte auf der Kugel...