Der schwere Weg vom Quanten-Prinzip zum Computer

Quanten-Technologie ist ein globaler Wettkampf

Quanten-Technologie ist heute sehr wichtig für viele Länder. Es gibt einen globalen Wettkampf. China, Großbritannien, Japan, Kanada, Australien, Deutschland, Frankreich, Russland, Israel, Singapur und viele andere Länder haben große und lange Programme.

Es gibt Tausende Firmen im Quanten-Ökosystem. Einige Dutzend Firmen bauen Computer. Einige erste Prototypen von Quanten-Computern gibt es schon.

Im Juni dieses Jahres machen die USA eine neue Initiative: "Quantum Genesis Initiative". Die USA wollen alle Ressourcen nutzen. Das Ziel ist: Bis 2028 einen fehlertoleranten Quanten-Computer bauen, der einen echten Nutzen für die Wissenschaft hat. China will einen eigenen Standard für Post-Quanten-Kryptographie (PQC) machen. Dieser Standard soll unabhängig sein, nicht auf NIST aus den USA oder ETSI aus Europa basieren.

Viele Menschen träumen von einer "Quanten-Revolution". Sie soll so wichtig werden wie die Halbleiter-Technologie und die Künstliche Intelligenz. Das ist sehr attraktiv. Aber es gibt auch Übertreibungen und Missverständnisse über dieses moderne Thema.

Der globale Quanten-Wettkampf ist noch unsicher. Deshalb muss man die Risiken objektiv und rational sehen. Man muss echte Wissenschaft von Übertreibung trennen. So kann man Fehler vermeiden, wenn der Staat und Firmen Geld und Ressourcen verteilen. Dieser Artikel will diese Sicht zeigen.

Bild: Simulation eines Quanten-Computers im Server-Raum. Foto: Phonlamai Photo / Shutterstock

Die seltsame Welt der Quanten ist aber nicht neu

Das Jahr 2025 ist ein besonderes Jahr: Die Quantenmechanik wird 100 Jahre alt. Die Quantenmechanik ist ein Teil der Physik. Sie untersucht Materie auf der Ebene von Atomen.

In dieser Welt ist alles sehr klein. Größen und Abstände misst man in wenigen Nanometern. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Dort verhalten sich Atome und Elektronen nicht wie in unserem Alltag. Sie verhalten sich anders als unsere Intuition. Deshalb gibt es neue Effekte und neue Anwendungen. Sie sind Welle und Teilchen zugleich. Sie können gleichzeitig in vielen Zuständen sein. Sie können miteinander "verschränkt" sein. Das gibt es nur in dieser seltsamen Welt. Und man kann nicht alle Informationen über sie wissen.

Die Quantenmechanik hat ein schönes mathematisches System. Man unterrichtet sie seit vielen Generationen an Universitäten auf der ganzen Welt.

Diese seltsamen Eigenschaften haben die erste Quanten-Revolution gebracht. Sie begann in den 1940er Jahren. Sie brachte Halbleiter-Materialien, Transistoren, integrierte Schaltkreise, Satelliten-Kommunikation und GPS, Laser, Solarzellen, MRT-Technik und sehr viele andere Technologien. Diese Technologien bestimmen unser modernes Leben.

Heute gehen wir in die zweite Quanten-Revolution. Hier nutzt man drei Effekte stark: Quanten-Superposition, Quanten-Interferenz und Quanten-Verschränkung. Man will damit große Ziele erreichen: Quanten-Computing, Quanten-Kommunikation, Sensoren und Quanten-Kryptographie.

Abbildung 1: Einfache Skizze des Ökosystems für Quanten-Computing. Einfach gesagt: Quanten-Materialien sind Materialien und Geräte mit typischen Quanten-Eigenschaften. Man kann damit Quanten-Computer bauen. Bei Quanten-Algorithmen und Quanten-Berechnung nutzt man Quanten-Physik, um Informationen zu verarbeiten. Anwendungen können zum Beispiel Material- und Medikamenten-Design und Quanten-Kryptographie sein.

Fokus: Quanten-Computing

Dieser Artikel konzentriert sich auf Quanten-Computing. Das ist ein großes, vielfältiges und schnell wachsendes wissenschaftliches Ökosystem. In einer einfachen Einteilung (Abbildung 1) hat das System drei Teile: Quanten-Materialien, Quanten-Computer und Quanten-Algorithmen und Methoden für Quanten-Berechnung.

In diesem Ökosystem ist es eine sehr große Herausforderung, einen Quanten-Computer zu bauen. Er muss stark genug für echte praktische Probleme sein und er muss fehlertolerant sein. Das ist eine Herausforderung für Techniker, Physiker, Materialwissenschaftler, Informatiker und auch für Manager und Politiker.

Wir sind noch weit von diesem Ziel entfernt. Das Jahr 2028 kann deshalb ein sehr interessanter Zeitpunkt sein, wie am Anfang gesagt. Die Prototypen, die man bis jetzt gezeigt hat, sind noch sehr einfach. Sie können noch keine praktischen Probleme lösen, die normale Computer schon lösen können. Warum ist das so?

Woher kommt die Kraft des Quanten-Computers?

Ein normaler Computer arbeitet mit Bits. Ein Bit hat den Wert 0 oder 1. Ein Quanten-Computer arbeitet mit Qubits. Wegen des Prinzips der Superposition kann ein Qubit jede lineare Kombination von 0 und 1 sein (Abbildung 2a).

Wenn man viele Qubits verbindet, wird der Zustands-Raum sehr groß. Dazu gehören auch komplexe Zustände, wenn Qubits miteinander verschränkt sind. In diesem Zustands-Raum arbeiten Quanten-Algorithmen. Sie verarbeiten Informationen ganz anders als normale Computer.

Abbildung 2(a) Bloch-Kugel, eine einfache Art, die möglichen Zustände eines Qubits zu zeigen. Die zwei Pole der Kugel sind die zwei Basis-Zustände 0 und 1; andere Punkte auf der Kugel sind andere Zustände.