Quantencomputer: Test gemacht, Praxiseinsatz weit weg

Beim klassischen Computing verschwört sich Wärme mit der Zeit, um dem Möglichen Einschränkungen aufzuerlegen. Im Zeitalter der Vakuumröhren konnten langwierige Berechnungen nicht durchgeführt werden, da die Geräte durchbrennen würden.

Mitte September erschien auf einer NASA-Website ein Forschungspapier, das von Wissenschaftlern an 14 Institutionen und Labors unter der Leitung von Google AI Quantum in Mountain View verfasst wurde. (Quelle: Googleblog)

Die Regierung muss sich nicht mehr darüber aufregen, Zugang zu sicherer Kommunikation in den sozialen Medien zu bekommen, denn der Quantencomputer, dessen Ankunft wurde gerade reklamiert , macht die kryptografische Sicherheit überflüssig.

Was wird behauptet und bestritten

Mitte September erschien auf einer NASA-Website ein von Wissenschaftlern an 14 Instituten und Labors unter der Leitung von Google AI Quantum in Mountain View verfasstes Forschungspapier, das rätselhaft verschwand und die wissenschaftliche und mathematische Gemeinschaft rastlos hinter sich ließ. Ihre Aufregung war nicht unberechtigt, denn die Zeitung hatte behauptet Quantenüberlegenheit — die Entwicklung einer Quantenmaschine namens Sycamore, die Probleme lösen kann, die klassische Computer aus praktischen Gründen nicht lösen können.

Beim klassischen Computing verschwört sich Wärme mit der Zeit, um dem Möglichen Einschränkungen aufzuerlegen. Im Zeitalter der Vakuumröhren konnten langwierige Berechnungen nicht durchgeführt werden, da die Geräte durchbrennen würden. Moderne integrierte Halbleiterschaltungen erzeugen auch Wärme, nicht genug, um zu verbrennen, aber durchaus genug, um langsamer zu werden. Google behauptet, Sycamore habe ein Problem in etwa 200 Sekunden gelöst, für das ein Supercomputer der Spitzenklasse etwa 10.000 Jahre gebraucht hätte. Die Ergebnisse - in dem rätselhaft verschwundenen Papier - erschienen am Mittwoch offiziell in Nature und bekräftigen die Behauptung, dass eine Schwelle in der Informatik, die seit der Eröffnung der Diskussion durch Paul Benioff, Richard Feynman und Yuri Manin in den 1980er Jahren erwartet wurde, überschritten wurde.

Unterdessen haben Forscher von IBM das Sycamore-Ergebnis in Frage gestellt und behaupteten, dass der klassische Computer um 10.000 Jahre zurücklag, weil er ineffizient konfiguriert war. Die Reifen zu treten und die Stecker zu reinigen, argumentierten sie, würde die Lücke mit der Hand schließen. Die Angelegenheit bleibt in der Schwebe, bis IBM den Benchmark-Test repliziert. Nach der Methode der Wissenschaft bleibt die Frage offen, bis sie eigene Erkenntnisse veröffentlicht.

Mehrere Staaten

Seit der kanadische Premierminister Justin Trudeau erklärt hat Quanten-Computing einem aufreibenden Journalisten am Perimeter Institute of Theoretical Physics bleibt nicht viel zu erklären. Es genügt zu sagen, dass während klassische Maschinen Informationsbits verarbeiten, die durch die Zustände 0 und 1 repräsentiert werden, die ein und aus darstellen, Quantenmaschinen Qubits oder Quantenbits manipulieren. Sie haben zwei Eigenschaften, die Daten höherer Größenordnungen verarbeiten können – Überlagerung und Verschränkung.

Obwohl sich die Natur der Quanten- und Grobwelt grundlegend unterscheidet, können diese durch die Analogie zu Schrödingers Katze veranschaulicht werden, einem unglückseligen Tier, das in einer Kiste mit etwas potenziell Tödlichem gefangen ist, wie einem Kanister mit giftigem Gas. In der grobstofflichen Welt gehen wir davon aus, dass die Katze lebt, bis das Gas freigesetzt wird, danach ist sie tot. Aber auf der Quantenebene kollabieren Phänomene nur dann in einen Zustand, wenn sie beobachtet werden. Zu allen anderen Zeiten existieren sie in allen möglichen Zuständen. Die Katze wird erst dann als tot oder lebendig gesehen, wenn der Beobachter die Schachtel öffnet. Zu allen anderen Zeiten ist es sowohl tot als auch lebendig, in einem Zustand der Überlagerung. Auch wenn die Katze versehentlich Gas geben kann, sind ihr Zustand und der des Kanisters untrennbar miteinander verbunden.

Dies ist Verschränkung, die Einstein als gruselige Fernwirkung bezeichnete. Zwei verschränkte subatomare Teilchen könnten Lichtjahre voneinander entfernt sein und doch verbunden sein. Quantencomputer nutzen diese beiden Eigenschaften, um Geschwindigkeiten und Rechenräume zu erreichen, die eine klassische Maschine besiegen würden, indem sie Daten in Quantenzustände kodieren und Quantenoperationen darauf ausführen.

Sundar Pichai mit einem der Quantencomputer von Google im Santa Barbara Lab, Kalifornien, USA. (Foto über Reuters)

Meilen zu gehen

Was bedeutet die Ankunft des Quantencomputings für Sie und mich? Nicht viel. Nicht sofort. Denn Sycamore hat nur einen Benchmark-Test durchgeführt, der keinen realen Nutzen hat, und Google kann ihn nicht einsetzen, um nächste Woche die Weltherrschaft zu erreichen. Selbst wenn sie die Quantenüberlegenheit bewiesen hat, könnte es Jahre oder Jahrzehnte dauern, bis die Technologie frei verfügbar ist.

Qubits sind nur bei kryogenen Temperaturen stabil, und nur Regierungen und große Unternehmen können hoffen, einen Quantencomputer auf dem Gelände zu halten. Der Rest von uns wäre auf Cloud Computing und Software as a Service angewiesen. Nicht das glänzendste Gerät, wenn Sie beispielsweise das lebendige Tageslicht von Gmail hacken möchten.

Aber zunächst wären Regierungen und Unternehmen die einzigen Nutzer des Quantencomputings, denn nur sie interessieren sich für die Fragen, die es beantwortet. Der Quantencomputer wurde von Feynman zur Modellierung von Quantensystemen aufgestellt. Nun wird es in Labors zur Modellierung von Systemen eingesetzt, die in der realen Welt nur unter extremen Bedingungen existieren, wie im Large Hadron Collider.

Eine Komponente von Googles Quantum Computer im Santa Barbara Lab, Kalifornien, USA. (Foto über Reuters)

Labore wären in der Lage, Spitzenleistungen zu erbringen, ohne in eine groß angelegte Infrastruktur investieren zu müssen, und müssten möglicherweise nicht über Nationen und Kontinente hinweg zusammenarbeiten. Quantencomputer wären auch für Aufgaben nützlich, die mit riesigen Datenmengen umgehen. Data Mining und künstliche Intelligenz wären die Hauptnutznießer, ebenso wie die Wissenschaften, die mit Datenmengen umgehen, von der Astronomie bis zur Linguistik.

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Die dunkle Seite

Die dunkle Seite des Quantencomputings ist die störende Wirkung, die es auf die kryptografische Verschlüsselung haben wird, die Kommunikation und Computer sichert. Die Verschlüsselung hängt von sehr großen Primzahlen ab, die als Keime dienen, aus denen kryptografische Schlüssel generiert und von den Gesprächspartnern ausgetauscht werden. Es funktioniert, weil Verschlüsselung und Entschlüsselung operativ asymmetrisch sind. Für einen Computer ist es einfacher, sehr große Primzahlen zu multiplizieren, als ein Produkt auf seine Primzahlen zu zerlegen. Dieser Unterschied hält Ihre WhatsApp-Nachrichten privat, aber wenn die Chancen durch exponentiell leistungsstarke Computer ausgeglichen würden, wäre die Privatsphäre im Internet tot.

Technologie ist nicht immer die Lösung. Sie schafft oft neue Probleme und die Lösung liegt im Gesetz. Lange nach der Geburt von Social Media und Künstlicher Intelligenz gibt es nun Forderungen, diese zu regulieren. Es wäre ratsam, einen Regulierungsrahmen für das Quantencomputing zu entwickeln, bevor es allgemein verfügbar wird. Es handelt sich um eine transformative Technologie, deren zukünftige Nutzung in einem breiten Spektrum von Sektoren, von der Datenanalyse bis zur Geopolitik, nicht vollständig vorhergesehen werden kann. In diesem Sinne ähnelt sie der Nukleartechnologie, die 23 Jahre nach Hiroshima durch den Nichtverbreitungsvertrag von einem globalen Regime reguliert wurde. Es wäre sinnvoll, das Quantencomputing jetzt zu regulieren oder zumindest die Grenzen seines legitimen Einsatzes zu definieren.

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