Quantenturbo für Zahlenfresser

Uli Blumenthal: Für die Verkündung einer Revolution in der Computertechnik war der Ort perfekt gewählt: Das vollbesetzte Auditorium des Museums für Computergeschichte im kalifornischen Mountain View, im Herzen des Silicon Valley gelegen. Dorthin hatte die kanadische Firma D-Wave Systems am Dienstag zu einer Weltpremiere geladen: zur Demonstration des ersten kommerziellen Quantenrechners. "Unser Durchbruch in der Quantentechnologie ist ein wichtiger Fortschritt bei der Lösung wirtschaftlicher und wissenschaftlicher Probleme, die bislang nur schwer in den Griff zu bekommen waren" - das waren die Worte des Firmenchefs Herb Martin zu Beginn der Präsentation. Frage an meinen Kollegen Ralf Krauter hier im Studio: Wie sieht er denn aus, dieser Durchbruch?

Ralf Krauter: Das Herzstück dieses Wunderrechners wirkt auf den Fotos erstaunlich unscheinbar: Ein gewöhnlicher Chip mit 16 kreisförmigen Leiterschleifen darauf. Das Besondere: Diese Schleifen bestehen aus dem Metall Niob, das wird supraleitend, es verliert also seinen elektrischen Widerstand, wenn man es entsprechend kühlt. Um das zu erreichen, muss der Chip stark gekühlt werden. Dazu verwendet man solche futuristisch anmutenden Helium-Kühler, die sehen so aus, dass sie auch als Strahlenkanone in einem Star-Wars-Film durchgingen. Man betreibt diesen tiefgekühlten Chip bei aberwitzig kleinen Temperaturen von fünf Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Also man sieht schon, es ist noch ziemlich viel Aufwand nötig, um diesen Quantenprozessor ans Laufen zu bringen. Und das ist sicher auch der Grund dafür, dass sich die Entwickler gestern bei der Präsentation in Kalifornien auf sicheres Terrain begeben haben. Sie haben nämlich ihr Gerät einfach im Labor in Vancouver stehen lassen. Der Zugriff erfolgte über eine verschlüsselte Datenleitung und eine spezielle Software aus der Ferne. Über die Software sollen bald auch schon die ersten Kunden auf diesen Quantenturbo für Zahlenfresser zugreifen könnten.

Blumenthal: Kurze Nachfrage: Der Star war eigentlich nicht anwesend. Wie sieht er denn aber aus? Haben Sie Bilder gesehen, gab es eine Direktübertragung? Wie groß muss man sich diesen Rechner vorstellen? Passt er unter den Schreibtisch?

Krauter: Der Prozessor ist fingernagel-groß, steckt in einer Platine, wie man das von einem gewöhnlichen PC auch kennt, nur dass diese Platine eben eingebaut ist in einen riesigen, zylindrischen Aufbau, diesen Kühler, der das Ding auf diese aberwitzig kleinen Temperaturen runterkühlt. Um zu demonstrieren, was ihr Ding kann, haben die Forscher eben mal so eine Demonstration laufen lassen. Sie haben ihren Wunderprozessor aus der Ferne eine Datenbank mit Tausenden von Molekülstrukturen durchforsten lassen. Der Rechner lieferte das richtige Ergebnis, allerdings nicht schneller als ein herkömmlicher Computer, musste man einräumen. Aber es war natürlich auch nur ein allererster Prototyp, der da eben demonstrieren sollte: Es geht. Bemerkenswert ist das Ganze trotzdem, weil dieser neuartige Prozessor ja gerade einmal 16 Quantenbits hat, also 16 dieser supraleitenden Stromschleifen, die ja sozusagen das Analogon zu den klassischen Bits sind. 16 Qubits, das ist schon überraschend wenig, wenn man bedenkt, dass ja zum Beispiel schon der Commodore 64 einen Arbeitsspeicher von 64.000 Bits hatte.

Wie ist es möglich, mit so wenigen Ressourcen ein komplexes Problem wie eine Datenbanksuche schnell zu lösen? Man nutzt eben die Gesetze der Quantenmechanik. Für diese 16 supraleitenden Leiterschleifen auf dem Chip heißt das: Der Strom, der in denen so kreisförmig fließt, der kann also nicht entweder nur im oder gegen den Uhrzeigersinn fließen, sondern beides zugleich. Ein quantenmechanischer Überlagerungszustand, Schrödingers Katze lässt grüßen. Und das bietet frappierende Vorteile: Während ein klassischer Computer mit 16 Bits nur jeweils eine von 65.000 Zahlen kodieren kann, kann ein Quantenrechner mit 16 Qubits eben all diese 65.000 Werte gleichzeitig verarbeiten. Diese hohe Parallelität macht es eben möglich, Rechnungen anzugehen, die bislang nicht möglich waren. Ein Beispiel dafür: die Berechnung der Eigenschaften komplexer Moleküle. Da ist man bislang auf Näherungen angewiesen, weil die entsprechende Schrödinger-Gleichung sich eben nicht exakt lösen lässt, sobald mehr als 30 Elektronen involviert sind. Mit diesem Quantenprozessor aus Vancouver hoffen eben die Entwickler könnte es künftig möglich sein, so was exakt auszurechnen.

Blumenthal: Ist das denn nun ein wirklich angekündigter Durchbruch oder ist es nur ein weiterer Schritt zum Quantencomputer und die wirkliche Entwicklung ist doch ein weiterer und längerer Weg, als man sich vorstellt?

Krauter: Ich würde ich sagen, es ist ein weiterer Schritt auf einem langen Weg. Um einem heutigen Supercomputer Konkurrenz zu machen, müsste man nach Meinung von Experten schon Hunderte von Qubits zusammenschalten. Aber genau daran arbeitet D-Wave, die kanadische Start-up-Firma offenbar. Bereits im kommenden Jahr will man einen Quantenchip mit 1000 gekoppelten Qubits realisieren. Das wäre dann wirklich ein Quantensprung bei der Rechenpower. Aber das Ziel ist natürlich sehr ambitioniert. Immerhin, was der Firma zugute kommen dürfte: Sie hat von Anfang an, seit 1999, konsequent auf die verfügbaren Halbleitertechnologien gesetzt. Das heißt, die Hochskalierung müsste im Prinzip deutlich leichter machbar, als bei anderen Ansätzen zur Realisierung von Quantencomputern.

Trotzdem: Ganz einfach dürfte es auch für D-Wave nicht werden, glauben Experte, von 16 zu 1000 gekoppelten Qubits zu kommen. Die gezielte Ansteuerung der Stromschleifen ist nämlich jetzt schon schwierig. Das war bei dem 16 Qubit-Prozessor schon zu sehen: Man brauchte ganze Batterien gestaffelter Filter, um Störsignale aus den Eingangskanälen der Platine zu filtern. Das zeigt schon: hoch empfindlich, das Ganze. Also ich würde sagen: Ein wichtiger Fortschritt, aber zum Einläuten einer neuen Ära der Computertechnik ist es noch zu früh.