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Digitalkonferenz DLD

Wie die Quantenrevolution weitergeht

Von Jack D. Hidary
 - 12:41
Jack Hidary, Buchautor und Quantenfachmann von Google

Wir stehen am Anfang einer neuen Ära, die Entdeckungen in Wissenschaft und Technik beschleunigen wird. Neuartige Rechenplattformen werden die grundlegenden Gesetze unseres Universums erforschen und helfen, Probleme zu lösen, die uns alle betreffen. Programme für das maschinelle Lernen, angetrieben von spezialisierten Chips, bringen schon jetzt einen Durchbruch nach dem anderen.

Das Quantencomputing ist Teil des größeren Bereichs der Quanteninformatik. Deren drei Zweige Berechnung, Kommunikation und Sensorik entwickeln sich schnell weiter, eine Entdeckung in einem Bereich kann den Fortschritt in einem anderen beflügeln. Unternehmen und Investoren interessieren sich zunehmend für das Feld. Wir stehen wie gesagt noch am Anfang. Doch schon jetzt zeigen sich faszinierende Möglichkeiten in der nahen Zukunft. Allein in den vergangenen drei Jahren haben Fonds mehr als 650 Millionen Dollar in Quanten-Unternehmen investiert. Ihr Ökosystem wächst rund um die Welt, es wird nicht von einer oder zwei Städten dominiert.

Kommunikation und Sensorik

Quantenkommunikation nutzt die besonderen Eigenschaften von Quantensystemen, um Informationen so zu übertragen, dass kein potentieller Mithörer sie lesen kann. Dieser Zweig wird insbesondere deshalb wichtig, weil Quantencomputer uns dazu treiben, unsere Kryptographie vor ihnen selbst sicher zu machen: Quantenrechner von ausreichender Größe werden in der Lage sein, viele der derzeit verwendeten Verschlüsselungen zu brechen. Das bedeutet, dass neue Protokolle entwickelt und eingeführt werden müssen.

Es gibt resistente Verschlüsselungen, die zurzeit getestet werden, zum Beispiel als Teil des vom amerikanischen Normungs- und Cybersicherheitsinstitut angestoßenen NIST-Prozesses. Für sie gibt es keine bekannten Quantenangriffe (und klassische übrigens ebenfalls nicht). Für absolute Sicherheit könnten einige jedoch neue Quanten-Kommunikationsprotokolle bevorzugen, die ein neues Quanten-Internet nutzen. Durch die fundamentalen Gesetze der Physik werden diese Protokolle garantiert sicher sein – allerdings erfordern sie neue Hardware, die über das hinausgeht, was wir zurzeit für die klassische Datenübertragung verwenden.

Quantensensorik ist wiederum ein Forschungsfeld, das mit Hilfe von Quantengeräten die klassischen Grenzen der Erfassung von Magnetfeldern und Ähnlichem überschreitet. Eine neue Art von Sensoren zur Erkennung von Position, Navigation und Zeit auf atomarer Ebene zum Beispiel kann hochpräzise Positionsdaten liefern, wenn GPS gestört oder nicht verfügbar ist. Auch für die Medizin bietet die Sensorik Vielversprechendes. Wissenschaftler haben schon gezeigt, dass man mit nanoskaligen Quantensensoren die elektromagnetische Aktivität einzelner Zellen messen kann. Diese Sensoren können das Feuern von Neuronen überwachen. In Zukunft könnte diese Technologie in neue diagnostische und therapeutische Methoden und Instrumente münden.

Einer der entscheidenden Unterschiede zwischen Quanten- und klassischen Rechnern ist, dass in Ersterem Quantenzustände selbst manipuliert werden. Das stellt einen viel größeren Rechenraum zum Arbeiten zur Verfügung, als klassische Computer bieten können. Wenn auf einem herkömmlichen Computer ein in der Realität vorkommendes quantenmechanisches System modelliert werden soll, geht das nur mit Darstellungen eines solchen Systems – die Physik selbst kann nicht implementiert werden. Dieser wesentliche Unterschied birgt spannende Möglichkeiten für die Zukunft von Informatik und Naturwissenschaften.

All diese Entwicklungen fußen auf fundamentalen Wahrheiten über unsere Welt, die während der Revolution der Quantenmechanik in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entdeckt wurden. Um einen Quantencomputer zu bauen, brauchen wir eine Reihe von Qubits. Jedes von diesen kann im Zustand 0 oder 1 sein (genau wie ein klassisches Bit), aber auch eine lineare Kombination von 0 und 1. Tatsächlich gibt es unendlich viele solcher Linearkombinationen; ein Qubit kann also weit mehr Informationen abbilden als ein klassisches Bit. Tatsächlich können nur etwa 55 dieser Qubits bestimmte Rechnungen durchführen, die selbst ein klassischer Computer mit Milliarden traditionellen Bits nicht in überschaubarer Zeit lösen könnte.

Wie alles begann

Die Möglichkeit, dass Quantenmechanik genutzt werden kann, um auf neue und interessante Arten zu rechnen, lag seit den frühen Tagen des Feldes im Prinzip offen auf dem Tisch. Die Prinzipien von Superposition (Überlagerung verschiedener Zustände eines Qubits) und Entanglement (Verschränkung mehrerer Qubits) können Grundlage für sehr mächtige Berechnungen sein. Der Trick ist, ein solches System so zu konstruieren, dass es leicht manipulier- und messbar ist.

Während Richard Feynman oft das erste Konzept eines Quantencomputers zugeschrieben wird, arbeiteten mehrere Wissenschaftler schon zuvor auf diese Idee hin. Im Jahr 1979 reichte der junge Physiker Paul Benioff am Argonne National Laboratory in der Nähe von Chicago eine Arbeit mit dem Titel ein: „Der Computer als physikalisches System: Ein mikroskopisches quantenmechanisches Hamilton-Modell von Computern, dargestellt durch Turing-Maschinen.“ In ihr zeigte Benioff die theoretische Grundlage für Quantenrechnungen und argumentierte dann, dass ein entsprechender Computer gebaut werden könne. In seinem im Jahr 1980 erschienenen Buch „Berechenbar und unberechenbar“ legte auch Yuri Manin den Kerngedanken eines Quantencomputers dar. Dieses schrieb er allerdings auf Russisch, es wurde erst viele Jahre später übersetzt.

Im Jahr 1981 hielt dann Feynman eine Vorlesung mit dem Titel „Physik mit Computern simulieren“. In dieser argumentierte er, dass ein klassisches System ein quantenmechanisches System nicht adäquat darstellen könne: „... die Natur ist nicht klassisch, verdammt! Wenn man eine Simulation der Natur machen will, dann besser quantenmechanisch – und Donnerwetter, das ist ein wunderbares Problem, denn es sieht nicht so einfach aus ...“

Neue Verschlüsselung

Er skizzierte daraufhin die Eigenschaften, die ein Quantencomputer haben müsste, um nützlich zu sein. Zur Zeit der Vorlesung allerdings wussten weder Feynman noch andere Physiker, wie man ein solches Gerät bauen könnte. Doch nachdem Benioff, Manin und Feynman die Tür aufgestoßen hatten, begannen Wissenschaftler, die Natur der Algorithmen zu erforschen, die auf Quantencomputern laufen könnten. David Deutsch, ein Physiker aus Oxford, stellte in einer Arbeit aus dem Jahr 1985 einen umfassenderen theoretischen Rahmen für Quantencomputer vor. Darin beschrieb er detailliert, wie ein Quantenalgorithmus aussehen würde, und äußerte die Erwartung, dass es „eines Tages technologisch möglich sein wird, Quantencomputer zu bauen“. Deutsch begann dann, ein Beispiel eines Algorithmus zu entwickeln, der auf einem Quantenrechner schneller laufen würde. Diesen Algorithmus verallgemeinerte er später zusammen mit Richard Jozsa. Der Deutsch-Jozsa-Algorithmus machte klar, dass Quantencomputer eines Tages auch den größten klassischen Computern davonlaufen würden.

Nun betrat Peter Shor die Bühne. Im Jahr 1994 war Shor Forscher in der mathematischen Division der Bell Laboratories. Shor studierte die Arbeiten von Deutsch, Jozsa und anderen und fand heraus, dass er einen Algorithmus zur Zerlegung großer Zahlen in zwei Primfaktoren konstruieren konnte. Eine solche Faktorierung großer Zahlen gilt auf einem klassischen Computer als unlösbar – auf einem Quantencomputer aber läuft der Shor-Algorithmus deutlich schneller. Die Zerlegung großer Zahlen ist das bewusst schwere Problem im Kern der Public-Key-Kryptographie, wie sie im RSA-Algorithmus implementiert ist – dieser wiederum ist Grundlage nahezu der gesamten verschlüsselten Kommunikation über das Internet: Darunter fallen der sichere Versand von Kreditkartennummern, die sichere Abwicklung von Bankzahlungen und die Geheimhaltung von online ausgetauschten Nachrichten.

Shors Erkenntnis war, dass mit einem Quantencomputer ein anderes Problem gelöst werden kann, das zum RSA-Faktorierungsproblem äquivalent ist. Es entspricht dem Problem der Periodenfindung, von dem ein anderer Forscher, Daniel Simon, bereits gezeigt hatte, dass es mit einem Quantencomputer bewältigt werden kann. Aus diesen Arbeiten wurde klar, dass Quantentechnologie eines Tages die Welt verändern würde.

Es geht nicht nur um Computer

Was können wir also in Zukunft von Quantentechnologie erwarten, und auf welche Bereiche sollten sich Investoren und Unternehmen in diesem Bereich konzentrieren?

  1. Quantensensorik: Es gibt Dutzende von Start-ups, die verschiedene Techniken der Quantensensorik erforschen. Zum Beispiel ist QuSpin ein Jungunternehmen, das einen Quantensensor für kleinste Änderungen in Magnetfeldern entwickelt hat. Die Universität von Nottingham verwendet diesen Sensor, um den Prototyp eines Hirnscanners zu bauen. Da es im Gehirn sowohl elektrische Signale als auch ein magnetisches Signal gibt, können diese Sensoren Hirnfunktionen in Echtzeit abbilden. Diese Daten ergänzen ein EEG, das die elektrischen Signale der Hirnaktivität erfasst. Andere Start-ups nutzen Quantensensoren zur Navigation. AO Sense zum Beispiel hat eine Technologie entwickelt, die eine präzise Navigation ermöglicht, auch wenn kein GPS oder andere externe Signale vorhanden sind.
  2. Quantenkommunikation and Cybersicherheit: In diesen Bereich investieren eine wachsende Zahl von Unternehmen und Regierungen. Unternehmen wie ID Quantique stellen kleine Chips für Mobiltelefone her, um eine sicherere Kommunikation auf Basis von Quantenzufallszahlen zu ermöglichen. Andere Start-ups konzentrieren sich auf Algorithmen für Post-Quanten-Kryptographie.
  3. Quantencomputer: Es gibt drei große Investitionsfelder im Quantencomputing. Rechnerplattformen sind jene Start-ups, die Quantencomputer bauen und hoffen, eines Tages zu einem fehlertoleranten Gerät zu kommen. Es gibt verschiedene Ansätze zum Bau dieser Computer, unter anderem eingeschlossene Ionen, supraleitende Qubits oder Photonik. Jeder dieser Ansätze benötigt Hunderte Millionen Dollar Kapital und Jahre der Weiterentwicklung. Andere Unternehmen arbeiten an Kontrollinstrumenten für Quantencomputer. Sie ermöglichen es den Konstrukteuren von Quantencomputern, genauere Kontrolle über die Qubits in ihren Geräten zu erlangen. Zwei Beispiele aus diesem Bereich sind Q-CTRL und Quantum Machines. Schließlich gibt es die Entwickler von Quantencomputer-Software. In diesem Bereich wird es die größte Zahl von Quantencomputer-Start-ups geben, denn Softwareentwickler brauchen weit weniger Startkapital als Hardware-Unternehmen. Beispiele für durch Risikokapital finanzierte Unternehmen dieses Bereichs sind Zapata, QCWare und 1Qbit.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Quantentechnologie zwar noch in den Kinderschuhen steckt, aber dennoch klar ist, dass das Feld erhebliche Auswirkungen auf eine Vielzahl von Branchen haben wird. Während sich viele nur auf das Quantencomputing konzentriert haben, möchte ich dazu ermutigen, auch die anderen Quantentechnologien wie Sensorik und Kommunikation in den Blick zu nehmen. Jeder dieser Bereiche bildet Synergien mit den übrigen – zusammen werden sie Welle um Welle wissenschaftlicher und technologischer Durchbrüche bringen. Willkommen in der Quantenzukunft!

Der Autor

Jack Hidary ist Autor des Buches „Quantum Computing: An Applied Approach“, erschienen 2019 bei Springer Nature. Er forscht zu Quantentechnologie bei Google.

Quelle: F.A.Z.
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