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Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Dass Quantencomputer funktionieren, wissen wir. Nur wann sie ihre Leistung entfalten und stärker als konventionelle Rechner werden, das wissen wir noch nicht genau. George Dyson sagt, mit Quantencomputern könnte die Kryptographie und damit die letzte Grenze zwischen der Freiheit des Einzelnen und dem allwissenden Staat fallen. Die NSA forscht intensiv daran. Ein Gespräch mit Rainer Blatt, Physiker in Innsbruck und Koryphäe in der europäischen Forschung, zum Stand der Dinge bei der Entwicklung von Quantencomputern und der Frage, was die öffentliche Wissenschaft den Geheimdiensten entgegensetzen kann.

© IQOQI/LacknerDer Blick ins Herz eines Quantencomputers in Innsbruck. Er arbeitet bereits und kann von Mitarbeitern per Smartphone vom Mittagstisch aus gesteuert werden.

Herr Blatt, wie viel ihrer Forschung hat mit Computern zu tun?

Wir haben in Innsbruck zwei Quantencomputer. Man stellt sich unter einem Computer heute einen Laptop oder Desktoprechner vor, so sieht ein Quantencomputer im Grunde auch aus. Er ist etwas größer, unförmiger, und er steht noch im Labor. So stromlinienförmig, dass man ihn leicht verkaufen könnte, ist er noch nicht. Aber er ist auch noch nicht dazu da, nun universelle Probleme zu lösen. Er ist für spezielle, sehr spezifische Probleme gut.

Wie sieht es in ihnen aus? 2005 haben Sie mit dem ersten Quantenbyte gearbeitet, inzwischen ist von Quantenprozessoren die Rede. Wenn Sie auch sagen, der Quantencomputer sei noch kein Universalcomputer; wir müssen unser Bild vom Computer nicht grundlegend ändern?

Sie haben mich falsch verstanden. Der Quantencomputer ist ein Universalcomputer. Man muss aber nicht mit Kanonen auf Spatzen schießen. Wir brauchen den Quantencomputer nicht für Office-Anwendungen. Es ist eher so: In den achtziger Jahren gab es die ersten Mikroprozessoren und man kam auf die Idee, einen weiteren speziellen Prozessor zu verbauen, einen Co-Prozessor, der die Numerik übernahm. Mittlerweile ist jeder Computer so gebaut. Der ursprüngliche Prozessor hätte alle Aufgaben selbst übernehmen können, aber manche Rechenaufgaben lassen sich an dafür besser geeignete Prozessoren auslagern. Und ein Quantencomputer ist nun wieder solch ein System, das sehr spezielle Dinge besser berechnen kann, aber für andere nicht unbedingt notwendig ist.

© IQOQIDer Experimentalphysiker Rainer Blatt, Jahrgang 1952, ist seit 2003 Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Universität Innsbruck. 2005 gelang dem Institut die Arbeit mit dem ersten Quantenbyte; derzeit haben die Forscher zwei Quantencomputer in Betrieb. Blatt, der bis 2013 auch das Institut für Experimentalphysik in Innsbruck leitete, ist Mitglied der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und des Österreichischen Wissenschaftsrats.

So leicht wie ein Chip lässt sich ein Quantencomputer nicht verbauen. Gleicht er noch einer Kiste, für deren Betrieb man viele weitere Technik braucht?

Er ist ein optischer Tisch mit recht viel Equipment, sie könnten ihn aber auf einem kleinen Schreibtisch aufbauen. Sie brauchen ein paar Laser und zur Bedienung einen klassischen Computer. Wenn sie ihn aber in fünf bis zehn Jahren, wenn die Rechenleistung entsprechend gewachsen ist, nutzen, werden sie wohl aus der Ferne mit ihm arbeiten. Sie werden ihm ihre Programme hinschicken und dann bekommen sie das Ergebnis wieder. So hat man es früher bei den Großrechnern ja auch gemacht. Ein Quantencomputer zuhause ist wirkliche Zukunftsmusik.

Sie beschreiben eine Zukunft der Cloud.

So nennt man das Konzept heute. Früher ging es gar nicht anders. Es gab Zentralrechner, dort hat man seine Lochkarten hingebracht und später das Ergebnis als Ausdruck bekommen. Wir nutzen unsere Quantencomputer heute auch aus der Ferne. Meine jungen Mitarbeiter steuern ihn per Mobiltelefon von der Mensa aus.

Das klingt simpel. Üblicherweise kapituliere ich bei dem Begriff Quanten.

Das ist die falsche Attitüde. Auch Sie können den Quantencomputer verstehen. Wenn Sie mich nach ihm fragen, erkläre ich ihn Ihnen.

Gut. Ein Quantenbit nimmt zur selben Zeit mehrere Zustände an. Nun braucht ein Computer aber eindeutige Bits, um verlässlich rechnen zu können.

Es ist ganz einfach. Ein klassisches Bit ist ein Schalter, der entweder aus (Null) oder an (Eins) anzeigt. Beim klassischen Computer liegen diese Bits in einer Reihe und ergeben ein Register. Rechnet der Computer, tut er nichts Weiteres, als diese Bits umzulegen, von Nullen in Einsen oder umgekehrt. Er tut dies extrem schnell und häufig hintereinander. Da er es nach vorgegebenen Regeln tut, steht am Ende in dem Register eine Zahl, die das Ergebnis der Rechnung ist. Mit einem Quantencomputer funktioniert das auf dieselbe Weise. Nehmen Sie ein Wasserstoffatom mit einem Elektron als Bit. Wenn das Elektron auf der Innenbahn ist, ist der Zustand null. Wenn wir es per Laser anregen und es ein Photon geschluckt hat, ist es auf einer Außenbahn, dann ist der Zustand eins. Nun ist es aber so, dass es in der Quantenmechanik nicht nur die zwei Zustände gibt, sondern auch alle möglichen Überlagerungszustände. Sie können das Elektron durch Wechselwirkung mit Licht in einen beliebigen Zustand bringen. Misst man nach, findet man zum Beispiel heraus, dass das Elektron in fünfzig Prozent der Fälle innen war und in fünfzig Prozent der Fälle außen. In dem Moment, in dem ich die Messung mache, finde ich das Elektron unten oder oben. Ich kann also nur den Eigenzustand im Moment der Messung ermitteln, obwohl der eigentliche Zustand (vor der Messung) der der Überlagerung ist. Stellen Sie sich das einfach wie eine durchsichtige Kugel vor, in der ein Pfeil hängt. Er kann nach Norden oder Süden, aber auch in jede andere Richtung zeigen. Statt der Information Null und Eins haben sie plötzlich beliebige Winkel. Können Sie mir folgen?

© Universität StuttgartLeuchtende Fehlstellen: Stickstoff-Verunreinigungen in einem Diamanten lassen sich mit grünem Licht anregen, sodass der Edelstein rot leuchtet. Der Diamant, an dem in diesem Fall Stuttgarter Forscher Experimente machen, enthält außergewöhnlich wenige Stickstoff-Defekte. An einem einzelnen dieser Defekte, einem sogenannten NV-Zentrum, erzeugen die Forscher ein Quantenregister.

Wenn wir von Winkeln sprechen, geht es um Nullen und Einsen und um die Kommastellen dazwischen?

Nein, es geht erst einmal nur darum, dass ein Quantenbit nicht einen von nur zwei möglichen Zuständen repräsentieren kann, sondern einen beliebigen Zustand. Wichtig ist für uns, in der Lage zu sein, diesen Zustand kontrolliert herbeizuführen und ebenso kontrolliert zu verändern. Das geht quantenmechanisch, auch wenn es sich nicht direkt beobachten lässt. Wir müssen daher viele Messungen machen, und bekommen so immer nur eine statistische Information über den Zustand. Die Frage, die sie im Hinterkopf haben, ist berechtigt: Wieso soll man damit rechnen können, wenn man immer nur statistische Informationen hat und eigentlich gar nicht wissen kann, in welche Richtung der Pfeil zeigt. Jetzt kommt das Geheimnis: Mit einem einzigen Quantenbit haben sie nämlich noch nichts erreicht. Wir nehmen also noch ein zweites Quantenbit, ein zweites Atom, hinzu. Im klassischen Computer legen sie das eine Bit um und es ist dem nächsten Bit völlig egal, was sie mit dem vorherigen Bit gemacht haben; jedes steht für sich. Quantenmechanisch aber können sie die Zustände der beiden Bits einander überlagern. Wenn sie den Zustand eines Quantenbits ändern, ändern sie damit auch den Zustand aller anderen. Das ist Quantenmechanik. Warum es so ist, dass kann ich ihnen nicht sagen, dass weiß ich auch als Physiker nicht.

Es war zu lesen, dass sie 45.000 Messungen brauchten, um den Zustand der Quantenbits zu ermitteln.

Es waren noch viel mehr, nämlich etwa 650.000. Wir beschäftigten uns eben nicht nur mit einem Quantenbit, sondern mit acht, also einem Quantenbyte. Das ist das Entscheidende: Wenn sie in einem Quantenbit nur ein bisschen was ändern, dann ändert sich der gesamte Zustand in dem Register, also jedes der acht Quantenbit. Drehen wir dann an einem Bit, verändern wir ohne Zeitverlust das gesamte Register. Das ist der Quantenparallelismus, von dem dann die Rede ist. Wir können ihn nutzen und messen. Aber warum sich das System so verhält, das müssen die Philosophen beantworten.

Wenn nur Sie auf das System Einfluss nehmen, können Sie davon ausgehen, dass ihrer Eingabe eine Ausgabe folgt, mit der sie etwas anfangen können.

Das ist die Idee. Als Programmierer setzen wir das System in einen beliebigen Anfangszustand. Wir können die Eigenzustände der Quantenbits festlegen, sie auf Eins oder Null oder in einen Zustand der Überlagerung von Null und Eins bringen. Dann setzen wir das System einer Wechselwirkung aus. Wir scheinen per Laser mit bestimmten Frequenzen auf das System. Es ginge auch mit Hochfrequenzen oder Mikrowellen. Wir müssen dabei nur sicherstellen, dass das System nur mit unserem Laser bzw. mit diesen Frequenzen wechselwirkt. Die so ausgelösten Rechenoperationen lassen sich durch große Matrizen mathematisch beschreiben, an ihrem Ende steht ein anderer Zustand, eine andere Superposition, die das Ergebnis repräsentiert. Um es zu lesen, müssen die Eigenzustände und Überlagerungen der Bits gemessen werden. Daraus wiederum ermittelt dann ein klassischer Computer das eigentliche Ergebnis. Man muss den Quantencomputer unter Umständen mehrmals laufen lassen. Das Ergebnis bleibt ein statistisches, aber das ist kein Problem.

In welchen Fällen lohnt es sich, Rechenoperationen von einem Quantencomputer berechnen zu lassen?

Das System ist insbesondere für Probleme interessant, die selbst mit Überlagerungen zu tun haben, also quantenmechanische Probleme. Ein anderer Fall sind Signalverarbeitungen, also Wellenphänomene. Sie kennen das Phänomen der Interferenz; jemand wirft einen Stein in einen ruhigen Teich. Eine einzelne Welle lässt sich leicht zurückverfolgen. Wenn nun aber mehrere Steine geworfen werden, dann haben sie nur noch Gekräusel auf dem Wasser. Wenn sie in der Lage sind, das Interferenzmuster richtig zu messen, können sie die Information, wo die Steine hineingeworfen wurden, berechnen. Das ist auch ein Analogon zu dem, was im Quantencomputer selbst passiert. Wenn Sie solche Wellenphänomene nachvollziehen wollen, dann hilft der Quantencomputer ungemein. Für die Dinge, die wir üblicherweise heute mit Computern machen, hat er noch wenig Sinn.

Die Geschwindigkeit des Quantencomputers kommt daher, dass das Bits-Register nicht mehr Bit für Bit abgearbeitet wird, sondern als Ganzes von jetzt auf gleich seinen Zustand ändert. Umso größer das Register ist, desto komplizierter wird dann aber dessen Messung?

Der Aufwand zur Charakterisierung wächst exponentiell mit dem Register an Quantenbits. Die vollständige Messung eines Registers aus acht Quantenbits ist schon unheimlich kompliziert. Es ist eine ungeheure Menge an Informationen. Es geht eben nicht nur um acht mal Null oder Eins, sondern auch um alle Überlagerungen. Es hat zehn Stunden Rechenleistung erfordert, um den Zustand des Quantenbytes zu messen und mit klassischen Computern zu ermitteln. Aber auf die Registergröße allein kommt es nicht an, Sie können bereits mit wenigen Quantenbits sehr viel machen. Wenn das Register der Quantenbits einmal charakterisiert ist, reicht eine einfache Messung zur Ermittlung der Rechenergebnisse.

© dpaWladimir Maidanow betrachtet technische Messinstrumente im Institut für Tieftemperaturen im ukrainischen Charkow (Foto vom 20.01.2008). Aufgrund chronischer Unterfinanzierung mangelt es den Forschern an moderner Technik. Das inzwischen sechs Jahre alte Bild gibt einen Hinweis auf Entwicklungen von vor 20 Jahren. Ebenso ein Entwicklungssprung muss nun noch einmal bewältigt werden, ehe Quantencomputer tatsächlich einsetzbar sind.

Ihre Forschung besteht also weniger in der Aufgabe, mit mehr Quantenbytes zu arbeiten, als darin, mit wenigen Quantenbits sicher umgehen zu können?

Die Idee ist, zunächst Geräte für allgemeine Rechenzwecke zur Verfügung zu stellen. Wir müssen nun erst einmal die kleinen Sachen verstehen: Wie kann man die Quantenmechanik, die man eigentlich mit Atomen und Elementarteilchen in Verbindung bringt, in größere Gebilde holen. Normalerweise ist bei der Erwähnung von Elementarteilchen und Quantenmechanik zu hören, sie sei so geheimnisvoll, kann das denn tatsächlich in der Realität funktionieren? Die Antwort ist schlicht und einfach: Ja. Natürlich ist es das Ziel, irgendwann einmal große Systeme zu bauen. Aber es stellt sich auch die Frage, wofür man sie braucht.

Beispielsweise für bessere Kryptographie, oder Wege, sie zu brechen.

Das ist das Schlüsselwort, es geht um den RSA-Algorithmus, mit dem wir heute Daten und Kommunikation verschlüsseln. Das Geheimnis dieser mathematischen Verschlüsselungsmethode ist, dass man eine große Zahl nimmt, von der man weiß, dass sie in zwei Primzahlen zerlegt werden kann. Nur ist das Dividieren für den Computer, wie auch für den Menschen, eine komplizierte Sache, ein sogenanntes hartes Problem. Der Aufwand ist so hoch, weil der hauptsächliche Rechenschritt nun einmal der Versuch ist, ob eine Division klappt, oder nicht. Wenn sie die Zahl hinreichend groß machen, haben sie so viele Möglichkeiten, die sie durchprobieren müssen, dass sie viele Jahre brauchen, um einen großen RSA-Schlüssel zu knacken. Nun hat Peter Shor vor zwanzig Jahren einen Algorithmus entwickelt, mit dem sich die Schlüssel ausrechnen ließen, wenn man Quantencomputer hätte. Das hat natürlich einige Akteure hellhörig werden lassen. Es geht dabei nicht nur um Spionage oder Kriminalität, sondern auch um Informationssicherheit. Staatsarchive, darauf weist auch das BSI häufig hin, legen Wert auf Verschlüsselung, die über Jahrzehnte hält.

Worauf zielt ihre Entwicklung ab?

Uns geht es erst einmal darum, Quantencomputer zu entwickeln, weil man mit ihnen Probleme lösen kann, die sich heute nicht gut berechnen lassen. Darunter fallen insbesondere Simulationen. Mit klassischen Computern ist es zum Beispiel sehr schwierig, quantenmechanisch Materialeigenschaften zu bestimmen. Der Quantencomputer würde diese Eigenschaften viel leichter simulieren können. Sie wollen beispielsweise wissen, welche magnetischen Eigenschaften oder welchen Schmelzpunkt eine Legierung hat. Das sind Fragen, die man heute nur mit Näherungsrechnungen beantworten kann. Das heißt noch nicht, dass diese Simulationen schlecht sind. Aber mit einem Quantencomputer lassen sich die quantenmechanischen Eigenschaften tatsächlich nachvollziehen. Die Supercomputer fangen heute bei der Simulation der Wechselwirkung von 40 oder 50 Atomen an zu stottern. Wir sehen bereits, dass wir mit wenigen Quantenbits hier sehr viel weiter kämen.

Die Quantencomputer werden die stärksten Supercomputer.

Das ist die Domäne der künftigen Quantencomputer. Aber da sind wir noch mindestens 20 oder 30 Jahre von entfernt.

Quantencomputer bedrohen die Privatsphäre des Einzelnen, wenn sie nur großen Institutionen und Staaten zur Verfügung steht. Schon heute zeigen diese ein großes Interesse an Kryptographie.

Egal welche Forschung man heute macht, es kann alles positiv und negativ verwendet werden. Wenn solche Technik, wie beispielsweise ein Quantencomputer, entwickelt wird, dann muss die Öffentlichkeit darüber Bescheid wissen. Das ist auch eine wichtige Aufgabe der Wissenschaft. Sie arbeitet im Offenen. Schon heute kommen Wissenschaftler zu uns, um bei uns ihre Quantenrechnungen zu machen. Wenn wir die Technologie entwickeln, dann steht sie allen zur Verfügung. Wenn Sie eine Quantenrechnung machen wollen, können sie zu uns kommen. Wenn ein öffentlich zugänglicher Quantencomputer einmal notwendig sein sollte, dann können wir ihn bauen. Die Tatsache, dass Institutionen diese Technologie als Waffe nutzen, lässt sich nicht verhindern. Sie können aber dafür sorgen, die Technologie so allgemein verfügbar und öffentlich zu machen, wie es nur geht.

Noch geht es um Grundlagenforschung.

Heute sind wir mit unseren Quantencomputern auf dem Stand der ersten Röhrencomputer. Konrad Zuse hat den ersten Computer 1938 in Berlin im Wohnzimmer gebaut. Die Röhrencomputer, die das elektrisch gemacht haben, entstanden Anfang der vierziger Jahre. Da sehe ich die Quantencomputer heute. Wir können nun Dinge machen, die für Wissenschaftler schon interessant sind. Aber wir sind noch nicht in der Lage, darüber hinaus zu gehen. Technische Revolutionen können wir aber natürlich nicht voraussehen. Die Transistorgeneration, integrierte Schaltkreise in den fünfziger und sechziger Jahren, die den Computer kleiner gemacht haben, so etwas kann die Entwicklung beschleunigen. Aber meine Schätzung ist, dass es noch mindestens 20 Jahre dauern wird. Trotzdem: Leistungsfähige Quantencomputer haben wir schon und in den nächsten fünf Jahren werden sie die Grenze durchstoßen, und mehr machen können als klassische Computer.

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