Quantencomputer: Womit können wir rechnen?

Über den Quantencomputer wurde bereits so viel geschrieben, dass man fast annehmen könnte, es gäbe ihn schon zu kaufen. Doch noch bedeuten viele der Experimente und theoretischen Ansätze nur „einen wichtigen Schritt“ auf dem Weg zu einem funktionsfähigen Quantencomputer. Hier den Abstand zwischen Wunsch und Wirklichkeit auszuloten, war ein wichtiger Aspekt der „Hot Topic Session“ am 28. September beim diesjährigen Heidelberg Laureate Forum (HLF).

Eingeladen von der Klaus-Tschira-Stiftung trafen sich zum fünften Mal hochkarätige wissenschaftliche Preisträger aus Mathematik und Informatik. Das HLF ist ähnlich wie das Nobelpreisträger-Treffen in Lindau angelegt und versammelt beispielsweise Gewinner des Abelpreises, der Fields-Medaille oder des Turing Award und bringt sie mit jungen Talenten aus Mathematik und Informatik in Kontakt.

Die „Hot Topic Session“ versammelt Experten zu einem besonders aktuellen Querschnittsthema, das in kompakten Einzelvorträgen und einer Podiumsdiskussion beleuchtet wird. Im vergangenen Jahr war dies die Künstliche Intelligenz, in diesem Jahr der Quantencomputer. Seit 20. Oktober steht die komplette „Hot Topic Session“, die auf Englisch stattfand, online als Video zur Verfügung und bietet eine gute Möglichkeit, um sich über Stand und Potenzial des Quantencomputings aus erster Hand zu informieren, wobei elementare Grundkenntnisse in Quantenmechanik und Informatik durchaus hilfreich sind.

Erster Vortragender war Scott Aronson, Professor für Informatik an der University of Texas in Austin. Er betonte, dass ein funktionsfähiger Quantencomputer mit 50 oder mehr Quantenbits ganz unabhängig von den möglichen Anwendungen bereits eine Revolution der Physik sei. Er machte in seinem Vortrag deutlich, dass es vielfach erst noch zu klären sei, bei welchen spezifischen Aufgabenstellungen und mit welcher Zahl und Verknüpfung der Qubits ein Quantencomputer klassischen Superrechnern überlegen sein kann. Diese Fragen werden oft unter dem Stichwort „Quantum Supremacy“ zusammengefasst.

Seth Lloyd vom Massachusetts Institute of Technology, der als einer der Pioniere des Quantencomputings gilt, lotete die möglichen Vorteile eines Quantencomputers beim Umgang mit Big Data aus. Er zeigte anschaulich, wie sich die Komplexität bestimmter Aufgaben der Mustererkennung durch Quantenalgorithmen verringern, was ihre Berechenbarkeit deutlich verbessern könnte.

Solche Probleme sind noch stark in der theoretischen Informatik verankert. Erste Versuche mit funktionsfähigen Verbindungen von einem Dutzend oder mehr Qubits sind bislang nur mit extrem aufwändigen Laboraufbauten gelungen und lassen sich nicht zwangsläufig ausbauen. Chris Monroe, Physik-Professor an der University of Maryland und Mitbegründer von IonQ, stellte Quantencomputer auf Basis von einzelnen Atomen vor, die sich mit einem photonischen Netzwerk modular skalieren lassen könnten.

Mit industriellen Akteuren wie IBM, Google und Microsoft, die eigene Forschungsprojekte zum Quantencomputer durchführen, hat die Realisierung von Quantencomputern eine neue Dynamik bekommen. So stellte der Physiker Jay Gambetta, Leiter der „Theory of Quantum Computing and Information Section“ am IBM Watson Research Center in Yorktown Heights, den cloudbasierten 5-Qubit-Rechner von IBM und die zugehörige offene Software-Entwicklungsplattform QISKit vor.

Er wies darauf hin, dass ein logisches Qubit, also die (quantenmechanische) Überlagerung der klassischen logischen Zustände 1 und 0, nicht identisch mit einem physikalischen Qubit sei. Die experimentelle Realisierung sei durch Rauschen und andere Störungen zwangsläufig fehlerbehaftet. Diese Fehler und ihre Korrektur gelte es bei den Experimenten wie bei den Codes für Quantencomputer zu berücksichtigen.

John Martinis von Google überraschte nicht nur das Auditorium, sondern auch die anderen Podiumsteilnehmer mit der Ankündigung, dass Google noch bis Jahresende auch einen cloudbasierte Quantenrechner auf Grundlage von supraleitenden Qubits online verfügbar machen werde. Ein Ziel sei es, zu demonstrieren, dass ein 49-Qubit-Rechner einem klassischen Superrechner überlegen ist. Er berichtete, dass es mit dem bislang verfügbaren System gelungen sei, mit Quantensimulationen komplexe Spektren von Materialien vorherzusagen.

Die abschließende Diskussion machte deutlich, dass nicht nur viele Herausforderungen – sowohl theoretisch wie experimentell – zu meistern sind, bis ein leistungsfähiger Quantencomputer existiert, sondern dass längst noch nicht hundertprozentig erwiesen ist, dass er sich tatsächlich realisieren lässt. Eins war klar: In Form eines Laptops sollte man einen Quantencomputer auf gar keinen Fall erwarten.

Alexander Pawlak

Weitere Infos

• Heidelberg Laureate Forum
• Hot Topic of the 5th HLF: Quantum Computing
• Dossier „Quanteninformation“
• Shtetl-Optimized (Blog von Scott Aaronson)
• IBM: Q Quantum Computing und Software-Plattform QISKit
• Research at Google: Quantum A.I.
• IonQ
• Microsoft Quantum - Redmond

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