QuantencomputerDieser Chip rechnet besser als ein Roastbeef-Sandwich

Hat die Firma D-Wave den Rechner der Zukunft gebaut? Nasa und Google haben den angeblichen Quantencomputer gekauft. Doch Forscher zweifeln an der Maschine. von 

Der 128-Qubit-Chip von D-Wave

Der 128-Qubit-Chip von D-Wave  |  CC BY-SA 3.0 D-Wave Systems Inc.

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.

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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.

Leserkommentare
  1. Vielleicht will die NASA auch mit um Bitcoins wetteifern. Aber ziemlich teure Angelegenheit ;-)

    2 Leserempfehlungen
  2. dreiviertel vom Geschriebenem habe ich nicht verstanden - also die Auseinandersetzung darüber, warum es so oder nicht so funktionieren könnte.
    Aber neugierig gemacht hat es mich schon.

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    Unser ganzes Universum ist ein einziger Quantencomputer und funktioniert fern jeder für uns "sicheren" Realität, also die ganzen fiktionalen aber für uns sicher scheinenden Kategorien wie Oben, Unten, Gestern, Heute, Morgen. Das Problem ist, für unsere alltäglichen Bedürfnisse brauchen wir aber Computer die ebenso limitiert sind wie wir selbst, um uns als Werkzeugen entsprechend auf dem Niveau unserer Begriffswelten zur Hilfe zu stehen. Unsere Welt ist absolut, eine Welt von Ja oder Nein, nicht "Vielleicht". Darum sind die binären Computer mit 1 und 0 vermutlich wirklich am geeignetsten. Aber das wird die Zukunft zeigen.

    Wo man sicherlich aufpassen muss ohne ins Fantastische abzugleiten ist dass wir keine Technologien erschaffen die sich unserer Kontrolle entziehen indem sie sich selbst weiterentwickeln und unsere Auffassungsgabe irgendwann gänzlich übersteugen. So von wegen Künstliche Intelligenz etc., es ist gefährlich naiv anzunehmen dass Intelligenz sich nur positiv auswirken wird. Der Mensch ist bequem und es ist stark anzunehmen dass er nur all zu bereitwillig immer mehr Entscheidungen künstlicher Intelligenz überlassen wird. Mehr noch, eine echte objektive K.I. dürfte angesichts menschlichen Verhaltens (Gier, Neid, Mord, Gewalt, Lügen, Umweltzerstörung,...) nicht unbedingt zu dem selben Bild von unserer Spezies kommen wie wir das haben (für sehen uns und Unseresgleichen ja immer als Krone und Herren der Schöpfung). Das kann gefährlich für uns werden.

    • Rend
    • 04. Juni 2013 18:31 Uhr

    ist wohl, dass sie mit Quantenmechanik nicht viel anfangen können, schätze ich jetzt einfach mal.
    Lesen sie einfach mal zum Beispiel ein paar Absätze im Wikipedia Artikel über Quantencomputer um die Idee dahinter zu verstehen. Man muss ja nicht immer jedes Detail gleich verstehen um zumindest hinter das Prinzip blicken zu können

    Und zur Not hilft immer Harald Lesch gucken ;)

  3. Unser ganzes Universum ist ein einziger Quantencomputer und funktioniert fern jeder für uns "sicheren" Realität, also die ganzen fiktionalen aber für uns sicher scheinenden Kategorien wie Oben, Unten, Gestern, Heute, Morgen. Das Problem ist, für unsere alltäglichen Bedürfnisse brauchen wir aber Computer die ebenso limitiert sind wie wir selbst, um uns als Werkzeugen entsprechend auf dem Niveau unserer Begriffswelten zur Hilfe zu stehen. Unsere Welt ist absolut, eine Welt von Ja oder Nein, nicht "Vielleicht". Darum sind die binären Computer mit 1 und 0 vermutlich wirklich am geeignetsten. Aber das wird die Zukunft zeigen.

    Wo man sicherlich aufpassen muss ohne ins Fantastische abzugleiten ist dass wir keine Technologien erschaffen die sich unserer Kontrolle entziehen indem sie sich selbst weiterentwickeln und unsere Auffassungsgabe irgendwann gänzlich übersteugen. So von wegen Künstliche Intelligenz etc., es ist gefährlich naiv anzunehmen dass Intelligenz sich nur positiv auswirken wird. Der Mensch ist bequem und es ist stark anzunehmen dass er nur all zu bereitwillig immer mehr Entscheidungen künstlicher Intelligenz überlassen wird. Mehr noch, eine echte objektive K.I. dürfte angesichts menschlichen Verhaltens (Gier, Neid, Mord, Gewalt, Lügen, Umweltzerstörung,...) nicht unbedingt zu dem selben Bild von unserer Spezies kommen wie wir das haben (für sehen uns und Unseresgleichen ja immer als Krone und Herren der Schöpfung). Das kann gefährlich für uns werden.

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    Antwort auf "WoW ---"
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    die Terminator-Reihe nochmals anschaue, bzw. Teile davon erstmalig,
    verstehe ich ihren zweiten Absatz 100%ig ;-).

    Die oberen Überlegungen ihrerseits scheinen mir aber eher auf einer nicht-mathmatischen-Ebene oder jenseits der Physik bzw. Informatik zu liegen. Da es mehr als den als linear wahrnehmbaren Raum gibt - nämlich im Denken selbst schon, sind es doch eher gedankliche Spiele, die in der Physik ebenso lineare als auch nichtlineare Phänomene nachweisbar machen. Ensprechend ist also ihre Überlegung, der Mensch funktioniere nur mit 0 und 1, durch ihre eigenen Gedanken und denen der Quantenphysiker widerlegt - der Mensch kann mehr als 0 und 1 - zumindest erstmal denken.

    Wenn man Pech hat und baut eine KI-Maschine und die Ihre zitierten Eigenschaften Gier, Neid, Mord, Gewalt, Lügen und Umweltzerstörung nicht ganz so gut findet, zieht die plötzlich Handschellen raus und fesselt Sie an die Heizung wie im Krimi. Und schleppt Sie dann zur Staatsanwaltmaschine, die Sie 10 Jahre einknastet. Verbrechen gegen die Maschinlichkeit. Das Leben in der Zukunft ist gefährlich! Man muss aufpassen!

    • mudd1
    • 20. Juni 2014 10:41 Uhr

    Stimmt, genau darum ging es im Artikel. Das haben Sie super erklärt. ..... Himmel.

    Eine handelnde Intelligenz - egal, ob künstlich oder nicht - die den Menschen sieht, wie er wirklich ist, die ungeschönt rekapituliert, welche Ergebnisse seine Existenz hat und hatte, die frei ist von Ideologien wie "Krone der Schöpfung", "Ebenbild Gottes" usw. und daraus die Konsequenzen zieht, die gezogen werden müssen.

    Da beginnt die Arbeit an "künstlicher Intelligenz" plötzlich wieder Sinn zu machen als echter Beitrag zur Rettung dieses schönen Planeten!

  4. ... mit Analog-Computern gelöst werden.
    Z.B. das Sortieren von Spaghettis nach ihrer Länge.
    Während der digitale Computer die Liste der gespeicherten Längen mehr oder minder elegant zig-mal durchlaufen muss, nehme ich (als Analog-Rechner) das ganze Nudelpaket und stoße es mit den Enden der einen Seite auf den Tisch - Fertig als Erster!

    So ähnlich scheint mir die "elefantengroße" Maschine auch zu funktionieren ;-)

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    denn nach dem Stoßen des Pakets auf den Tisch sind die Nudeln null sortiert.

  5. denn nach dem Stoßen des Pakets auf den Tisch sind die Nudeln null sortiert.

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    aber ja, man muss nur immer die größte wegnehmen...

  6. die Terminator-Reihe nochmals anschaue, bzw. Teile davon erstmalig,
    verstehe ich ihren zweiten Absatz 100%ig ;-).

    Die oberen Überlegungen ihrerseits scheinen mir aber eher auf einer nicht-mathmatischen-Ebene oder jenseits der Physik bzw. Informatik zu liegen. Da es mehr als den als linear wahrnehmbaren Raum gibt - nämlich im Denken selbst schon, sind es doch eher gedankliche Spiele, die in der Physik ebenso lineare als auch nichtlineare Phänomene nachweisbar machen. Ensprechend ist also ihre Überlegung, der Mensch funktioniere nur mit 0 und 1, durch ihre eigenen Gedanken und denen der Quantenphysiker widerlegt - der Mensch kann mehr als 0 und 1 - zumindest erstmal denken.

    Eine Leserempfehlung
  7. Ich verstehe nicht, warum man diesen Computer nicht einfach auseinander baut und nachschaut, was drin ist. Entweder man findet Teile, die zu einem Computer gehören oder halt den Quantencomputer.

    Mir geht da ein Bericht über das Kopieren von Computerchips aus China durch den Kopf, in dem beschrieben wird, wie die Chinesen Computerchips Schicht um Schicht in einer Säure auflösen um den Aufbau analysieren und Nachbauen zu können.

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    dann sieht man: Entweder es sind die Teile da...
    ...oder sie sind nicht da...
    ...oder sie sind beides gleichzeitig ^ ^

    Erst mal die Verkleidung abbauen. Die Kiste erinnert mich doch sehr an den Schachtürken aus dem 18. Jahrhundert. Da wird aber jetzt kein Elefant drin stecken, sondern nur 33 PCs, die mit Windows 98 laufen.

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