Der 128-Qubit-Chip von D-Wave

Eigentlich könnte sich Scott Aaronson zurücklehnen. Mit 32 Jahren hat der Amerikaner eine lebenslange Anstellung als Professor am renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) ergattert. Kollegen bezeichnen ihn als "Wunderkind", und vor Kurzem ist Aaronson Vater geworden. Wäre da nicht diese Sache, die den Informatiker immer wieder zu hitzigen Einträgen in seinem Blog nötigt. Ein kanadisches Unternehmen namens D-Wave Systems behauptet, es habe den "ersten kommerziellen Quantencomputer" der Welt gebaut.

Für Aaronson und viele seiner Kollegen ist das eine sehr gewagte Behauptung. Seit mehr als 15 Jahren versuchen Dutzende Forschergruppen, einen Rechner zu entwickeln, der dank der Prinzipien der Quantenmechanik spezielle Aufgaben schneller lösen könnte als herkömmliche Computer. Die bisherigen Bemühungen setzen auf Arrangements von Ionen oder Atomen, die mit Lasern und elektrischen Feldern im Hochvakuum gefangen und gezielt manipuliert werden. Auch mit Photonen, Supraleitern und sogenannten Quantenpunkten in Festkörpern experimentieren Forscher.

Weil Elementarteilchen und Atome mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können, kann ein Quantencomputer aus mehreren solcher Quantenbits (Qubits) in einigen speziellen Algorithmen theoretisch weit mehr Werte verarbeiten als ein herkömmlicher Computer mit gleicher Bit-Zahl.

Allerdings sind alle Ansätze für einen Quantencomputer noch weit von einer Maschine entfernt, die mehr als einfachste Rechenoperationen außerhalb einer mühsam hergestellten Laborumgebung durchführen kann. Bisherige Höhepunkte der Grundlagenforschung umfassen, 14 Kalziumionen für kurze Zeit miteinander zu verschränken, und mit einem Labor-Quantencomputer aus wenigen solcher Qubits die Zahl 21 in ihre Faktoren 7 und 3 zu zerlegen.

So scheint die Maschine von D-Wave aus der Zukunft zu kommen. In der neusten Version sollen sagenhafte 512 Qubits rechnen, die in Form supraleitender Drahtschleifen auf einen drei Millimeter großen Mikrochip gepresst wurden. Ein großer schwarzer Kasten schirmt den -273 Grad Celsius kalten Chip von Umwelteinflüssen ab. Die Richtung, in der der Strom in einer der Schlaufen kreist, entspricht dabei den Binärwerten 0 respektive 1.

Kühler Chip zum Rechnen

Jüngst konnte D-Wave einen der elefantengroßen Rechenkästen für 10 Millionen US-Dollar an Google und die Nasa verkaufen. Die Unternehmen wollen ihn im kalifornischen Ames Research Center testen. Vor zwei Jahren war bereits der Rüstungskonzern Lockheed Martin bei D-Wave Systems eingestiegen sowie der Amazon-Gründer Jeff Bezos und der Technologie-Investor In-Q-Tel, der auch für die CIA arbeitet.

Könnte D-Waves Chip gar den Durchbruch bringen? Oder handelt es sich bei dem Quantencomputer um Etikettenschwindel? Scott Aaronson, der am MIT die Möglichkeiten und Grenzen des Quantencomputers erforscht, stand der angeblichen Wundermaschine von Anfang an misstrauisch gegenüber, wie viele andere Grundlagenforscher auch. Schnell erklärte sich Aaronson in seinem Blog zum "Chefskeptiker" von D-Wave. Die Maschine sei so hilfreich bei Optimierungsproblemen aus der Industrie "wie ein Roastbeef-Sandwich", ätzte er schon 2007.

Da hatte D-Wave gerade seinen Prototypen mit 16 vermeintlichen Qubits vorgestellt und verkündet, dieser könne sämtliche NP-vollständigen Probleme lösen. Dabei handelt es sich um eine Klasse von Aufgaben, die auf klassischen Computern nur unter sehr großem zeitlichen Aufwand berechenbar sind. Ein Beispiel ist etwa das "Problem des Handlungsreisenden", bei dem eine Reihe von Städten so bereist werden muss, dass die Gesamtstrecke möglichst kurz ist.

2011 veröffentlichten die Industrieforscher von D-Wave schließlich einen Aufsatz in Nature, in dem sie die Funktionsweise ihres Computers skizzierten. Der Rechner von D-Wave kann demnach den kleinsten Wert in einem Optimierungsproblem finden, mathematisch entspricht das der Lösung des sogenannten Hamilton-Operators eines quantenmechanischen Systems. Die D-Wave-Maschine münzt dieses Rechenproblem in einen physischen Hindernislauf um: Die einzelnen Schleifen auf dem Chip werden in eine Konfiguration gebracht, die einer binären Formulierung des Hamilton-Operators entspricht. Die Temperatur des Chips wird bis auf 20 Millikelvin gesenkt, die elektrischen Ströme in den ultrakalten Schleifen verlagern sich daraufhin nach kurzer Zeit so, dass das Gesamtsystem den Zustand minimaler Energie einnimmt. So ähnlich machen es die Atome in geschmolzenem Glas, wenn man die Schmelze langsam abgekühlt.