Durchbruch in greifbarer Nähe: Wie ein großes Problem von Quantencomputern endlich gelöst werden könnte

Entwickler von Quantencomputern hatten sich schon fast damit abgefunden, dass sie mit verrauschten, fehleranfälligen Systemen arbeiten müssen. Nun zeichnet sich eine Lösung ab. Der Text stammt von Michael Brooks und wurde von Wolfgang Stieler übersetzt. In den letzten 20 Jahren haben Hunderte von Unternehmen, darunter Giganten wie Google, Microsoft und IBM, ihre Claims um das Quantencomputing abgesteckt. Insgesamt haben Investoren bisher weit über fünf Milliarden Dollar in die Technologie gesteckt, um das nächste große Ding zu entwickeln. Denn Quantencomputer nutzen Regeln, die für Materie auf atomarer und subatomarer Ebene gelten. Damit verarbeiten sie Informationen auf eine Weise, die mit herkömmlichen Computern unmöglich ist. Experten vermuten, dass diese Technologie in so unterschiedlichen Bereichen wie der Arzneimittelforschung, der Kryptografie, dem Finanzwesen und der Lieferkettenlogistik zum Einsatz kommen wird. Die Verheißungen sind groß, der Hype ist es auch. Letztlich hängen die Fortschritte beim Bau nützlicher Quantencomputer jedoch von einem zentralen Faktor ab: ob es gelingt, mit dem Rauschen umzugehen. Die empfindliche Natur von Quantensystemen macht sie extrem anfällig für die kleinste Störung – sei es durch Wärme, ein zufälliges Signal aus der umgebenden Elektronik oder eine physikalische Vibration. Dieses Rauschen richtet großen Schaden an, es erzeugt Fehler oder bringt sogar eine Quantenberechnung zum Erliegen. Es spielt keine Rolle, wie groß der Prozessor ist oder für welche Anwendungen er genutzt wird: Solange das Rauschen nicht gebändigt werden kann, wird ein Quantencomputer niemals die Leistung eines klassischen Computers übertreffen. Dieser Text ist zuerst in der Ausgabe 3/2024 von MIT Technology Review erschienen. Darin beschäftigen wir uns damit, was nach ChatGPT und Co. kommt. Hier könnt ihr die TR 3/2024 bestellen. Viele Jahre lang dachten die Forschenden, dass sie sich – zumindest kurzfristig – mit verrauschten Schaltkreisen begnügen müssten. Einige suchten nach sinnvollen Anwendungen innerhalb dieser eingeschränkten Möglichkeiten. Ihre Suche war nicht besonders erfolgreich. Aber das spielt jetzt vielleicht keine Rolle mehr, denn in den letzten Jahren lassen theoretische und experimentelle Durchbrüche hoffen, dass das Rauschproblem endlich in den Griff zu bekommen ist. Eine Kombination aus Hardware- und Softwarestrategien, um Quantenfehler zu unterdrücken, abzuschwächen und zu bereinigen, scheint vielversprechend. Der Ansatz ist nicht besonders elegant, aber „ich sehe immer mehr Beweise, die für Optimismus sprechen“, sagt Earl Campbell, Vizepräsident für Quantenwissenschaften bei Riverlane, einem Quantencomputer-Unternehmen mit Sitz in Cambridge, Großbritannien. [caption id="attachment_1628945" align="aligncenter" width="620"] Sabrina Maniscalco von der Universität Helsinki nutzt Quantencomputer für die Suche nach Medikamenten.Foto: Jussi Vierimaa[/caption] Sogar hartgesottene Skeptiker lassen sich überzeugen. Sabrina Maniscalco von der Universität Helsinki erforscht beispielsweise die Auswirkungen von Rauschen auf Berechnungen. Vor einem Jahrzehnt, sagt sie, hatte sie das Quantencomputing abgeschrieben. „Ich fand, es gäbe wirklich grundlegende Probleme und keine Gewissheit, dass es einen Ausweg geben würde“, sagt sie. Inzwischen entwickelt sie mit Quantensystemen verbesserte Versionen von lichtaktivierten Krebsmedikamenten. Die sollen in niedrigeren Konzentrationen wirken und durch Licht mit unschädlichen Wellenlängen aktiviert werden können. Sie glaubt, dass das Projekt nur noch zweieinhalb Jahre vom Durchbruch entfernt ist. „Ich bin eigentlich recht zuversichtlich, dass wir sehr bald in die Ära der Quanten-Utility eintreten werden“, sagt Maniscalco. Diese Quanten-Utility, der Quanten-Nutzen, ist an dem Punkt erreicht, an dem es für bestimmte Aufgaben sinnvoller ist, einen Quanten- als einen klassischen Prozessor zu verwenden. Qubits in der Cloud Dieser bahnbrechende Moment käme dann nach mehr als einem Jahrzehnt der Enttäuschung. In den späten 2000er- und frühen 2010er-Jahren mussten die Entwicklerinnen und Entwickler, die reale Quantencomputer bauten und betrieben, feststellen, dass diese weitaus problematischer waren, als in der Theorie erhofft. Für einige schienen diese Probleme unüberwindbar zu sein. Andere, wie Jay Gambetta, ließen sich nicht beirren. Der ruhige australische Physiker Gambetta begann im Juli 2004, an der Yale University über die Quanteneigenschaften von Licht zu forschen. Drei Jahre später zog Gambetta weiter nach Norden, an die Universität von Waterloo in Ontario, Kanada, und erfuhr dort, dass IBM sich intensiver mit Quantencomputern befassen wollte. Im Jahr 2011 wurde Gambetta einer der neuen Mitarbeiter des Unternehmens. Damals waren die IBM-Ingenieure damit beschäftigt, Quantenversionen binärer Ziffern, der Bits, herzustellen. In klassischen Computern hat die kleinste Informationseinheit zwei Zustände, 0 und 1, wie ein Schalter, der offen oder geschlossen ist. In Quantencomputern sind die Dinge weniger schwarz und weiß. Wenn es vom Rauschen isoliert wird, kann ein Quantenbit oder Qubit, wie es genannt wird, in jeder möglichen Kombination dieser beiden Zustände existieren, so wie eine geworfene Münze mitten im Flug. Diese Eigenschaft der Qubits und ihr Potenzial, mit anderen Qubits „verschränkt“ zu werden, ist der Schlüssel zu den revolutionären Möglichkeiten der Quanteninformatik. Ein Jahr nach seinem Eintritt in das Unternehmen entdeckte Gambetta ein Problem mit den Qubits von IBM: Jeder konnte sehen, dass sie ziemlich gut wurden. Wann immer er seine Physikerkollegen auf Konferenzen traf, baten sie ihn, ihre neuesten Ideen an IBMs Qubits zu testen. Nach ein paar Jahren wurde Gambetta von der Menge der Anfragen überfordert. „Ich fing an zu denken, dass das verrückt ist – warum sollten wir nur Experimente für Physiker durchführen?“, erzählt er. [caption id="attachment_1628946" align="aligncenter" width="620"] Jay Gambetta hat IBMs Quantencomputer in die Cloud gebracht.Foto: Peter Garritano[/caption] Ihm kam der Gedanke, dass sein Leben einfacher sein könnte, wenn er einen Weg finden würde, den Physikern die Qubits von IBM zugänglich zu machen – vielleicht über Cloud Computing. Er erzählte seinem Chef davon – und hatte dann fünf Minuten Zeit, um die Idee den Führungskräften von IBM auf einer Versammlung Ende 2014 vorzustellen. Die einzige Frage, die gestellt wurde, war, ob Gambetta sich sicher sei, dass er es durchziehen könne. „Ich sagte ja“, erinnert er sich – und dachte: „Wie schwer kann das schon sein?“ „Ich sagte ja“, erinnert sich Jay Gambetta, „und dachte: Wie schwer kann das schon sein?“ Wie sich herausstellte: Sehr schwer, denn die IBM-Führungsriege gab Gambetta gerade einmal ein Jahr Zeit dafür. Eine gewaltige Herausforderung, zumal er damals kaum wusste, was die Cloud überhaupt ist. Glücklicherweise wussten einige seiner Kollegen Bescheid. So konnten sie die Fernzugriffsprotokolle des Teams – die nützlich waren, um die Maschine abends oder am Wochenende zu optimieren – aufrüsten, um eine Reihe von weltweit zugänglichen Schnittstellen zu schaffen. Der erste Quantencomputer mit Cloud-Zugriff arbeitet mit fünf Qubits und ging am 4. Mai 2016 um Mitternacht in Betrieb. Das Datum, der Star Wars Day, wurde von Nerds für Nerds gewählt. „Ich glaube nicht, dass irgendjemand in der oberen Führungsebene davon wusste“, sagt Gambetta und lacht. Nicht, dass die Reaktion der IBM-Führung auf das Datum der Markteinführung für ihn im Vordergrund gestanden hätte. Viel mehr bereitete ihm die Frage Sorgen, ob ein System, in dem jahrelange Entwicklungsarbeit hinter den Kulissen steckte, den Anschluss an die reale Welt überleben würde. „Wir sahen zu, wie die ersten Aufträge hereinkamen. Wir konnten sehen, wie sie auf dem Quantencomputer anschlugen“, sagt er. „Als er nicht zusammenbrach, begannen wir uns zu entspannen.“ Das cloudbasierte Quantencomputing war augenblicklich ein Erfolg. In der ersten Woche meldeten sich 7000 Personen an, und am Ende des Monats waren es bereits 22 000 registrierte Nutzer. Deren Projekte machten jedoch deutlich, dass das Quantencomputing ein großes Problem hat: Diese Tests mit nur wenigen zusammengeschalteten Qubits zeigten, dass viele der theoretischen Annahmen über das Rauschen, das sie erzeugen, völlig falsch waren. Das Ziel ist es jedoch, Quantenrechner zu erreichen, in denen Hunderttausende, wenn nicht gar Millionen von Qubits zusammenarbeiten. Ein gewisses Maß an Rauschen war immer zu erwarten. Zwar arbeiten die Qubits bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt. Aber auch dort gibt es Wärmestrahlung. Daher rechnete jeder mit einigen zufälligen Stößen auf die Qubits. Aber es gab auch andere Störungen. Temperaturschwankungen in der Steuerelektronik verursachten Rauschen. Das Anlegen von Energieimpulsen, um die Qubits in den richtigen Zustand zu versetzen, verursachte Rauschen. Und das Schlimmste war, dass das Senden eines Steuersignals an ein Qubit Rauschen in anderen, nahe gelegenen Qubits erzeugte. „Man manipuliert ein Qubit und ein anderes dort drüben spürt es“, sagt Michael Biercuk, Direktor des Quantum Control Laboratory an der Universität Sydney in Australien. [caption id="attachment_1628947" align="aligncenter" width="620"] Michael Biercuk von der Universität Sydney hat berechnet, wie zuverlässig die ersten Cloud-Quantenrechner sind.Foto: The University of Sydney / Jessica Hromas[/caption] Als dann die ersten Quantenalgorithmen auf einem Dutzend Qubits liefen, war die Leistung schockierend schlecht. 2022 berechneten Biercuk und andere die Wahrscheinlichkeit, dass ein Algorithmus erfolgreich abläuft, bevor Rauschen die in den Qubits gespeicherte Information zerstört oder die Berechnung aus dem Ruder laufen lässt. Würde ein Algorithmus mit einer bekannten richtigen Antwort 30 000 Mal ausgeführt, käme die richtige Antwort nur dreimal zurück. Obwohl das Ergebnis enttäuschend schien, war es auch lehrreich. „Die Leute lernten eine Menge über diese Maschinen, indem sie sie tatsächlich benutzten“, sagt Biercuk. „Wir fanden eine Menge, von dem mehr oder weniger niemand wusste – oder sie wussten es und hatten keine Ahnung, was sie damit anfangen sollten.“