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Durchbruch der Quantencomputer "Kann alle Antworten gleichzeitig berechnen"

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Station für Quantenkommunikation in der chinesischen Provinz Hebei.

(Foto: imago/Xinhua)

Quanten sind winzig kleine Teilchen, die sich an zwei unterschiedlichen Orten oder in zwei unterschiedlichen Zuständen gleichzeitig befinden können. Warum das so ist, kann selbst Tommaso Calarco nicht erklären, obwohl er das Institut für Quantenkontrolle am Forschungszentrum Jülich leitet. Physiker wie er wissen aber, wie wir diese Tatsachen nutzen können: Sie bauen mithilfe der kleinen Teilchen superschnelle Quantencomputer, die unseren Alltag revolutionieren werden. Staufrei durch den Berufsverkehr in Peking und eine abhörsichere Kommunikation sind nur zwei von vielen Möglichkeiten, die sich eröffnen. Noch befinden wir uns aber in der Phase der Gebrüder Wright, den Pionieren der Luftfahrt.

n-tv.de: Herr Calarco, können Sie bitte einmal für Laien wie uns erklären, was genau eigentlich Quanten sind?

Tommaso Calarco: Quanten sind das Kleinste, was es gibt. Zum Beispiel gibt es viele, viele, viele Lichtquanten, die wir von der Sonne bekommen. Diese Quanten heißen Photonen, die kleinste Einheit des Lichts. Auch Materie hat viele, viele, viele, viele Atome und Elektronen, die klein genug sind, dass wir sie nicht einfach unterteilen können. Es gibt nichts, das kleiner als ein Elektron oder ein Photon ist. In unserer Welt, in der wir mit Mechanik und Thermodynamik leben, verhält sich alles so, wie wir es gewohnt sind. In der Quantenwelt verhalten sich diese einzelnen Teilchen anders.

Inwiefern anders? Wissen wir, wie sich diese Teilchen verhalten?

Ja und nein. Wir wissen es in dem Sinne, dass wir die mathematischen Gesetze, die Gleichungen, die das Verhalten der Teilchen bestimmen, kennen. Dadurch können wir vorhersagen, wann ein Atom wo in welchem Zustand sein wird. Aber eine wirkliche mentale Vorstellung davon haben wir nicht.

Dieses Telefon zum Beispiel, das wir gerade verwenden: Das Telefon ist da, ich kann es sehen. Wenn ich in einen anderen Raum gehe und zurückkomme, ist es immer noch da. Quantenobjekte verhalten sich nicht so. Ein Atom kann sich gleichzeitig an zwei unterschiedlichen Orten oder in zwei unterschiedlichen Zuständen befinden. Wenn ich mehrere Atome habe, können die sich sogar in sogenannten verschränkten Zuständen befinden, die ganz komisch und buchstäblich unvorstellbar sind.

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Tommaso Calarco leitet seit September 2018 das Institut für Quanten-Kontrolle.

Das heißt, wir können mathematisch beschreiben, was diese Quanten tun. Wir können uns aber kein mentales Bild bauen, wie die aussehen. Wenn Sie also fragen, ob wir wissen, was sie tun, lautet die Antwort: Jein.

Können wir erklären, warum sich Quanten an zwei unterschiedlichen Orten aufhalten können?

Nein, überhaupt nicht. Das ist eine Frage, die nicht zu erklären ist. Es ist einfach eine Tatsache. Letztendlich ist es wie bei der Gravitationskraft: Wir können erklären, dass Objekte nach unten fallen, daran sind wir gewohnt. Aber warum das so ist, können wir nicht sagen. Und was wir in der Quantenwelt erleben, ist noch ungewöhnlicher. So funktioniert die Natur einfach. Mein Lieblingszitat ist Kapitel sieben aus dem "Tractatus logico-philosophicus" von Ludwig Wittgenstein: Wovon man nicht reden kann, darüber muss man schweigen.

Aber die Tatsache, dass sich Quanten an unterschiedlichen Orten gleichzeitig aufhalten können, hilft dabei, schnellere Computer zu bauen?

Unbedingt. Normale Computer funktionieren mit sogenannten Bits. Darüber ist unsere gesamte digitale Gesellschaft gebaut. Alle Kommunikation, alle Bilder, die im Internet verschickt werden, alles, was ein Computer verarbeitet, wird in Bits umgewandelt und auf diese Weise digital verarbeitet. Aber ein Bit ist immer 0 oder 1, es befindet sich immer in einem von zwei Zuständen. Wenn wir stattdessen Quanten, also Atome, verwenden, können sich diese als Quantenbits oder Qubits gleichzeitig in beiden Zuständen befinden und wir können alle möglichen Kombinationen von Nullen und Einsen gleichzeitig darstellen. Mit einem Quantencomputer, der diese Quantenbit-Zustände verarbeiten kann, sind wir in der Lage, alle Möglichkeiten gleichzeitig zu verarbeiten. Ich kann quasi die Antworten auf alle möglichen Formulierungen eines gewissen Problems gleichzeitig berechnen. Das ist der Vorteil, den diese Überlagerung zwischen unterschiedlichen Zuständen in der Quantenmechanik und bei der Informationsverarbeitung bringt.

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Und das ist das, was Google behauptet, Ende Oktober geschafft zu haben?

So ist es. Der Quantencomputer hat mithilfe der Überlagerung eine Aufgabe in drei Minuten berechnet, für die der mächtigste Supercomputer der Welt 10.000 Jahre gebraucht hätte. Diese Aufgabe war akademisch völlig abstrus, künstlich konstruiert und hat keinen praktischen Nutzen, aber einen historischen Wert: Wir haben das erste Mal in der menschlichen Geschichte den Beweis, dass es möglich ist, Rechenaufgaben durchzuführen, die kein klassischer Computer durchführen kann.

Inwiefern können solche Quantencomputer konkret in unserem Alltag genutzt werden?

Da gibt es viele Möglichkeiten. Zum Beispiel können Quantencomputer oder spezifische Arten von Quantencomputern, sogenannte Quantensimulatoren, das Optimum einer gewissen Situation finden. Volkswagen hat vor ein paar Jahren in Peking einen solchen Quantensimulator getestet, um das Routing von Taxis zu optimieren. In Peking haben Straßen 10 oder 14 Spuren und es macht einen riesigen Unterschied, ob ich weiter geradeaus fahre und noch eine halbe Stunde im Stau verbringe oder links abbiege und auf eine Route komme, wo weniger Verkehr ist. Gängige Computer in aktuellen Navigationsgeräten berechnen das alles einzeln, dann weiß jedes Taxi: Okay, jetzt abbiegen, vorne ist ein Stau. Aber wenn alle Taxis links abbiegen, baut sich sofort ein neuer Stau auf und ich habe nichts gewonnen. Das heißt, man muss die Daten von allen Taxis gleichzeitig verarbeiten. Die optimale Lösung ist, dass wir einige Taxis in eine Richtung schicken und andere Taxis in die andere Richtung, dann sparen am Ende alle Zeit. Das ist eine Aufgabe, die extrem komplex ist, aber ein Quantensimulator kann das effizient bewältigen.

Das klingt wundervoll, aber auch nach einem Zukunftsszenario. Wann können wir realistisch damit rechnen, dass solche Computer Alltag sind?

Die wirkliche Nutzung ist noch sehr weit weg. Wie gesagt, dieser historische Durchbruch ist nur von akademischem Interesse. Richtigerweise hat Sundar Pichai, der Vorstandschef von Google, das Ergebnis mit dem ersten Flug der Gebrüder Wright verglichen: Sie haben nur zwölf Meter zurückgelegt. Niemand braucht ein Flugzeug, das zwölf Meter fliegt, aber es war der Beweis, dass es geht. Mehrere Jahre später gab es bessere Flugzeuge. Wir befinden uns noch in der Phase der Gebrüder Wright und es wird mindestens noch 10 bis 15 Jahre dauern, bis Quantencomputer wirklich im Alltag nützlich sein können und wir von Quantenüberlegenheit im akademischen Sinne zum Quantenvorteil für die Gesellschaft kommen.

Das betrifft Quantencomputing, es gibt aber auch noch Quantensensorik und Quantenmetrologie, über die wir gerade bei der Navigation gesprochen haben. Dort ist die Zukunft genauso aufregend. Oder bei der Kommunikationssicherheit: Viele Banken und Regierungen verwenden schon heute quantenbasierte Kommunikation. Die Europäische Kommission ist dabei, auf EU-Ebene eine Infrastruktur zu verwirklichen, die auf Quantenkommunikation basiert und sehr große Auswirkungen auf die Übertragungssicherheit unserer Daten haben wird.

Also, Quantencomputing ist eine längerfristige Sache. Quantenkommunikation ist schon heute kommerziell vorhanden. Quantensensorik und Quantenmetrologie wird in drei bis fünf Jahren kommen.

Mit Tommaso Calarco sprach Christian Herrmann

Quelle: ntv.de