Manches Wissen wächst in verdammt hohen Gebieten. Trotzdem sollte man sich hin und wieder dorthin aufmachen, auch wenn es richtig anstrengend wird. Willkommen auf dem Pfad der Quanteninformatik.

Basislager

Gehen Sie erst los, wenn Sie die folgenden Grundlagen in Ihren Rucksack gepackt haben

Die Anfahrt ins Basislager erfolgt mit 30 schwarzen Limousinen und Kleinbussen von Mercedes, die Scheiben dunkel getönt. Die Fahrzeuge stehen Spalier auf dem Kopfsteinpflaster vor der Heidelberger Universität und spiegeln die Herbstsonne. Sieht aus wie der Fuhrpark für einen Mafia-Film. Normalerweise chauffiere er Prominente wie Heidi Klum, sagt einer der Fahrer. Aber die Kunden in dieser Woche in Heidelberg, die seien netter.

Zwei Stufen hoch, vorbei an der Security. In der Eingangshalle scharen sich viele junge Menschen um wenige ältere, es sieht ein bisschen aus wie Opa erzählt vom Krieg. Kaffeepause. Ein Mann mit weißem Vollbart wird vor laufender Kamera interviewt: Vint Cerf steht auf seinem Namensschild, "Chief Internet Evangelist" bei Google. Er wird auch als Vater des Internets bezeichnet, weil er den Standard TCP/IP für die Datenübertragung mit erfunden hat.

Hier sind Wissenschaftler aus aller Welt versammelt: Nachwuchsforscher treffen auf ihre Idole, die Superhirne der Computerwissenschaft und Mathematik. Das Heidelberg Laureate Forum steuert auf den Höhepunkt zu: Neuigkeiten über Quantencomputer.

Die 30 Fahrzeuge kutschieren die Teilnehmer eine Woche lang zwischen Vorträgen, Sehenswürdigkeiten und Festessen umher. Man kann diesen Luxus auch als Symbol betrachten: Quantencomputer waren 20 Jahre lang ein exotisches, unverständliches, verspieltes Forschungsgebiet. Heute zieht das Thema viel Geld an. Die Konferenz wird gesponsert von der Stiftung des verstorbenen SAP-Gründers Klaus Tschira.

Der Physikprofessor John Martinis wurde aus Santa Barbara eingeflogen. Google hat ihn dort von der University of California abgeworben und ihm ein Labor zur Verfügung gestellt. "Normalerweise baut man so was zu Beginn seiner Karriere mit 30 oder 35 auf", sagt er, "aber ich durfte das in meinen 50ern noch mal tun." Jay Gambetta ist aus New York gekommen, er entwickelt Quantencomputer bei IBM. Das Unternehmen hat einen Prototyp konstruiert, den jeder über das Internet programmieren kann. Dann ist da noch Seth Lloyd vom Massachusetts Institute of Technology, ein Physikprofessor mit Zopf und Hut, der von einem Treffen mit dem amerikanischen Militärdienst NSA zum Thema Quantencomputer berichtet. Auch die EU, Intel, China, Microsoft und Volkswagen investieren in Quantencomputer. Volkswagen?

Erster Anstieg

Los geht’s! Auf leichten Anhöhen begegnen Sie Erkenntnissen, die Sie ins Schwitzen bringen können

Zum Aufwärmen ein YouTube-Video mit dem kanadischen Premierminister Justin Trudeau. Dem reichten auf einer Pressekonferenz 40 Sekunden, um die Vorteile eines Quantencomputers zu skizzieren. "Ein normales Computerbit ist entweder 1 oder 0, An oder Aus", erklärte Trudeau, "ein Quantenzustand ist aber viel komplexer, weil er gleichzeitig Welle und Teilchen sein kann. Mehr Informationen passen in einen viel kleineren Computer, das macht Quantencomputer so interessant." Die Erklärung ist nicht ganz korrekt und lässt offen, warum Geheimdienste und Autofirmen sich für die Maschine interessieren, führt aber auf den richtigen Pfad.

Dieser Text stammt aus dem ZEIT WISSEN Magazin 1/18.

Der Begriff "Quantencomputer" vereint Quantenphysik und Computer. Die Maschine soll ebenso wie ein klassischer Computer Algorithmen ausführen und mit Zahlen rechnen. Nur soll sie dabei die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik ausnutzen. Diese Aufgabe treibt Physiker, Mathematiker und Informatiker an den Rand ihrer Möglichkeiten.

Bisher folgen die Bits und Bytes eines Computers den Regeln der klassischen Physik aus dem 19. Jahrhundert: Ein Computer operiert auf der untersten Ebene, im Maschinenraum, mit binären Zahlen wie 01101010. Diese Zahlen werden in Speichern abgelegt und für Rechenoperationen benutzt. Die kleinste Informationseinheit, das Bit (von binary digit ), kann man sich wie einen Lichtschalter vorstellen, Aus oder An, 0 oder 1. Jedes Urlaubsfoto ist letztlich ein Haufen gut sortierter Nullen und Einsen. Acht Bit bilden ein Byte, eine Milliarde Byte bilden ein Gigabyte.

Heute speichert eine SD-Karte zehn Gigabyte auf der Fläche eines Fingernagels. In solchen Speichern wird jedes einzelne Bit durch eine mikroskopische Insel auf einem Mikrochip repräsentiert. Um das Bit auf 1 zu schalten, wird auf der Insel eine elektrische Ladung deponiert, inzwischen nur noch rund zehn Elektronen. Um das Bit auf 0 zu schalten, werden die Elektronen wieder abgesaugt. Die elektrische Ladung auf der Insel verhält sich im Prinzip wie eine Kirsche auf einem Stück Torte: Entweder die Kirsche liegt drauf oder eben nicht. Auch Isaac Newton hätte das verstanden.

Ein Abenteuerspielplatz für kauzig-geniale Physiker

Die Quantenphysik dagegen erlaubt etwas Unerhörtes: In der Mikrowelt kann eine Kirsche gleichzeitig auf der Torte liegen und nicht daraufliegen. Ein Atom kann sich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten. Ein Elektron kann zugleich Welle und Teilchen sein. Ein Bit kann zugleich 0 und 1 sein. Erwin Schrödinger, einer der Väter der Quantentheorie, fand diese Vorstellung vor 80 Jahren so lächerlich, dass er die Kollegen mit dem Gedankenexperiment einer zugleich toten und lebendigen Katze zu provozieren versuchte. Es half nichts, die Quantentheorie blieb bizarr. Die Physiker sprechen von Überlagerungszuständen: In den Bits eines Quantencomputers – Qubits genannt – sind 0 und 1 zu einem Zwitterzustand überlagert.

Streng genommen basiert auch ein herkömmlicher Computer (ebenso wie Menschen, Tische und der Rest des Universums) auf der Quantenphysik, denn alle Materie besteht aus Atomen. Aber wenn viele der Teilchen auf einem Haufen sind, folgen sie meistens den statistischen Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik.

Das große Versprechen des Quantencomputers ist nicht nur, dass die Maschine mehr Informationen auf weniger Platz speichern kann, wie Justin Trudeau andeutete. Sondern dass der Quantencomputer einige Aufgaben sehr viel schneller lösen kann als ein klassischer Computer. Weil er dank Überlagerungszuständen nämlich viele Zahlen gleichzeitig verarbeitet, während ein klassischer Rechner alle Rechenschritte nacheinander ausführt. "Die Magie der Quanten sind die exponentiell steigenden Möglichkeiten", sagt Chris Monroe von der Universität Maryland. "Ein einzelnes Qubit ist noch recht banal, aber mit 300 Qubits hat man 2 hoch 300 Kombinationsmöglichkeiten, mehr als Teilchen im Universum." So viele Zahlen kann ein klassischer Computer unmöglich verarbeiten.

In den achtziger Jahren waren Quantencomputer ein Abenteuerspielplatz für kauzig-geniale Physiker, die gerne nachts arbeiten und sich auch für Paralleluniversen begeistern. Doch dann machte ein Mathematiker an den Bell Labs eine Entdeckung, die das Thema 1994 auf den Radarschirm der Geheimdienste rückte: Peter Shor zeigte, wie ein Quantencomputer große Zahlen in Faktoren zerlegen könnte, die Primfaktorzerlegung. Um eine 232-stellige Zahl zu faktorisieren, bräuchte ein herkömmlicher Computer 1.500 Jahre, ein Quantencomputer wäre theoretisch nach einem Tag fertig.

Das fasziniert nicht nur Mathematiker. Denn wer die Primfaktorzerlegung meistert, kann die verbreitete Verschlüsselungsmethode knacken, mit der auch WhatsApp seine Nachrichten codiert. Statt alle Schlüssel nacheinander zu probieren, könnte ein Quantencomputer sie gleichzeitig testen.

"Ich war 1994 bei dem ersten Treffen in Washington, wo über eine staatliche Forschungsförderung gesprochen wurde", erzählt Seth Lloyd in Heidelberg, der Physiker mit dem Hut. "Plötzlich stand ein Mann auf und sagte: ›Ich bin Keith Miller von der NSA. Ich bin autorisiert, Ihnen mitzuteilen, dass die NSA sich für Quantencomputer interessiert.‹ Die Leute in dem Raum waren alle total von den Socken, jeder sagte: Wahnsinn, die NSA hat gerade etwas zugegeben."

Als Edward Snowden knapp 20 Jahre später die NSA-Dokumente an Journalisten übergab, wurden Details bekannt. Die Erforschung eines "kryptografietauglichen Quantencomputers" war demnach Teil des 80 Millionen Dollar teuren NSA-Programms "Penetrating Hard Targets". "Hard" für schwierig.

Am Steilhang

Atmen Sie tief durch: Es ist alles ganz anders, als Sie dachten – aber Sie schaffen das

Ohne Hardware geht es nicht weiter. Am Berg sind das Steigeisen, Helm, Seil. Im Labor Vakuumanlagen, Laser, Elektronik. Die Überlagerungszustände der Quantenwelt sind extrem empfindlich. Schon Zusammenstöße mit einzelnen Luftmolekülen können sie zerstören. Erst in den neunziger Jahren war die Technik weit genug fortgeschritten, um sie routinemäßig herzustellen.

Als erstes Bauteil eines Quantencomputers dienten zwei geladene Atome (Ionen) am National Institute of Standards and Technology in Boulder. Sie schwebten, fixiert von Magnetfeldern, in einer Vakuumkammer von der Größe einer Mikrowelle. Als Qubits dienten zwei Energiezustände des einen Ions sowie zwei unterschiedliche Schwingungsbewegungen beider Ionen. Das "Computerprogramm" bestand aus einer Folge von Laser-Lichtblitzen, die die Überlagerungszustände erzeugten. So entstand ein kontrolliertes Quanten-NICHT-Gatter, das den Zustand 10 in 11 überführte, 11 in 10, 01 in 01 sowie 00 in 00 (das erste Bit kontrolliert, ob das zweite Bit negiert wird). Theoretiker hatten gezeigt, dass man aus solchen Quantengattern jeden Quantencomputer bauen könnte.

Laborleiter David Wineland bekam später den Nobelpreis, sein Mitarbeiter Chris Monroe eine Professur in Maryland. Man konnte allerdings daran zweifeln, dass ein Quantencomputer jemals einem Geheimdienst nutzen würde: Es brauchte sieben Wissenschaftler, 50 Quadratmeter Laborfläche und zahlreiche Vakuumpumpen, Laser und Computer, um diese beiden Ionen zu kontrollieren. Kritiker lästerten über "Quantendesinformation", Forschungspropaganda, die nur dem Absaugen von Fördergeldern diene.

Andererseits: Hatte das Digitalzeitalter nicht ähnlich begonnen? Der IBM 701 von 1952 war groß wie ein Kleiderschrank und hatte eine Speicherkapazität von 10 Kilobyte. Als Bits wurden walnussgroße Elektronenröhren verwendet. IBM-Chef Thomas Watson rechnete mit fünf Bestellungen. (Daraus wurde die Legende, Watson habe einen Weltmarkt von fünf Computern prophezeit). 18 Maschinen verkaufte IBM schließlich: an Rüstungsfirmen, Universitäten und – die NSA.

Geschichte wiederholt sich nicht, heißt es. Gilt das auch für Technikgeschichte? Oder könnte der Quantencomputer die digitale Welt erneut revolutionieren?

Bleibt der Quantencomputer ein unerreichbares Luftschloss?

Der Fortschritt am Steilhang ist eine Schnecke. Viele Jahre tüftelten die Experimentalphysiker vor sich hin. Chris Monroe versucht, immer mehr Ionen mit miniaturisierten Ionenfallen zu kontrollieren. "Atome sind perfekte Qubits", sagt er: "Eins ist genau wie das andere, ein Geschenk Gottes, wenn man so will." Google und IBM bauen künstliche Qubits mithilfe supraleitender Schaltkreise, in denen ein Strom zugleich links (= 0) und rechts herum (= 1) fließen kann. Die Qubits sind alle etwas unterschiedlich, und die Technik muss auf minus 273 Grad gekühlt werden, ein Nachteil. Andere Forscher verwenden einzelne Stickstoffatome in einer dünnen Schicht Diamantkristall als Qubits. Das geht auch bei Zimmertemperatur, aber die Kopplung mehrerer Qubits ist kompliziert.

Der steinige Pfad dieser Grundlagenforschung wird 2007 durch ein kleines Erdbeben erschüttert. Die kanadische Firma D-Wave Systems behauptet, sie habe einen Quantencomputer aus 16 Qubits gebaut, der Sudoku-Rätsel lösen könne. Da die Firma ihre Experimente nicht in Fachzeitschriften veröffentlicht, lassen sich die PR-Meldungen jedoch nicht überprüfen. Im Jahr 2011 verkauft D-Wave dann eine Maschine mit angeblich 128 Qubits an die Rüstungsfirma Lockheed Martin, 2013 bestellen Google und die Nasa zusammen ein Gerät. Hatte das Start-up den Nobelpreisträgern ein Schnippchen geschlagen?

John Martinis war Mitglied des Google-Teams, das die Maschine unter die Lupe nahm. Er formuliert es diplomatisch: "Ich zolle D-Wave Respekt dafür, dass sie eine Idee hatten und etwas ausprobiert haben. Am Ende sind einige ihrer Annahmen nicht aufgegangen, aber das kann ja noch passieren." Der Theoretiker Scott Aaronson sagt: "Die Belege, dass die D-Wave-Maschine irgendein Problem schneller löst als ein traditioneller Computer, sind schwach bis nicht vorhanden."

D-Wave ist die Firma, mit der auch Volkswagen kooperiert. Man wolle mit dem Rechner die Verkehrsströme von Peking simulieren, verkündeten beide Firmen auf der diesjährigen Cebit. "Ich wäre überrascht", sagt Aaronson, "wenn dabei irgendeine Quanten-Überlegenheit herauskommt, die für einen Autohersteller nützlich wäre. Wenn wir trotzdem Behauptungen über beeindruckende Leistungen hören werden, dann wäre es nicht das erste Mal in Volkswagens jüngerer Vergangenheit." Kleine Anspielung auf den Dieselskandal.

Auf zum Gipfel

Jetzt wird es zugig: Diese Theorie müssen Sie meistern, um auf der Höhe der Zeit anzukommen

Die Teilnehmer dieser Expedition müssen jetzt stark sein, denn der Gipfel liegt im Nebel. Zur Motivation noch mal die Versprechen: Quantencomputer sollen große Zahlen in Faktoren zerlegen und geheime Botschaften knacken. Google erhofft sich eine Revolution in der künstlichen Intelligenz. IBM will chemische Reaktionen berechnen, an deren Simulation selbst Supercomputer scheitern. Volkswagen setzt auf das "enorme Rechenpotenzial eines Quantencomputers", um den Verkehrsfluss in Megacitys zu verstehen.

Und wo stehen wir heute? Physiker in Innsbruck und am MIT haben eine Ionenfalle mit fünf Kalzium-Ionen gebaut und die Zahl 15 in 3 mal 5 faktorisiert. Google testet laut John Martinis gerade einen Chip mit 22 Qubits und träumt von 49 Qubits im kommenden Jahr. IBM hat einen Prototyp mit 20 supraleitenden Qubits entwickelt, den jeder über das Internet programmieren kann. Chris Monroe hat eine Firma ausgegründet, um Quantencomputer mit miniaturisierten Ionenfallen zu entwickeln. "Niemand glaubt ernsthaft, dass man mit 50 Qubits etwas Nützliches machen kann", sagt er. "Wir brauchen eine Vision für ein Gerät mit 500 oder 5.000 Qubits."

Doch je mehr Qubits an den Rechnungen beteiligt sind, desto störanfälliger sind die fragilen Überlagerungszustände. 100 verschränkte Qubits können nicht mehr so leicht isoliert werden wie ein einzelnes Qubit. Aus einem ähnlichen Grund zeigen auch ein Tennisball oder eine Erbse keine Quanteneigenschaften wie ein Elektron: Wo Trilliarden Atome zusammenkommen, übernimmt die klassische Physik Newtons das Regime. Außerdem: Je mehr Qubits an einer Rechnung beteiligt sind, desto mehr Fehler schleichen sich ein. "Quantenfehlerkorrektur" ist inzwischen ein florierendes Teilgebiet innerhalb der Quanteninformatik.

Die Hoffnung ruht nun auf der Idee, viele Qubit-Kollektive mithilfe einzelner Lichtteilchen, Photonen, zu einem Netzwerk zu verbinden. Denn auch Atome und Photonen, also Materie und Licht, können gemeinsame Überlagerungszustände bilden, die sogar den Transport durch Glasfaserkabel überstehen. Eines Tages könnte man vielleicht auch Quantencomputer auf diese Weise vernetzen. Als die Heidelberger Forschergemeinde eine Bootsfahrt auf dem Neckar unternimmt, diskutiert Googles Internet-Chefmissionar Vint Cerf jedenfalls schon mal mit einer Physikerin aus Singapur über ein Quanteninternet.

Es gibt ein Grundsatzproblem: Noch ist nicht bewiesen, dass ein Quantencomputer einem gewöhnlichen Rechner prinzipiell überlegen ist. Das wurde zwar für Spezialaufgaben wie die Primfaktorzerlegung gezeigt. Auch das "Problem des Handlungsreisenden" – verbinde viele Adressen auf dem kürzesten Weg – scheint ein Quantencomputer deutlich schneller lösen zu können. Aber auch die klassischen Algorithmen lassen sich verbessern. Die Mathematiker hätten jedenfalls gerne einen Beweis, dass Quantencomputer Aufgaben lösen können, an denen Supercomputer scheitern. "Quantum Supremacy" heißt das Projekt, ein Begriff, den Scott Aaronson inzwischen ziemlich unglücklich findet: "Im November letzten Jahres hörte es auf, lustig zu sein." Seit Donald Trump Präsident ist, wird supremacy (Überlegenheit) oft mit white assoziiert.

Niemand kann also derzeit sagen, ob Quantencomputer wirklich die Erwartungen erfüllen können, die in den Forschungsanträgen, Blogs und Nachrichten geweckt werden. Der Quantencomputer ist wie der Yeti: sehr hypothetisch, aber trotzdem gut, um anderen Angst einzujagen. Die NSA appellierte im vergangenen Jahr an Behörden und Industrie, ihre Daten besser zu verschlüsseln, um Angriffe durch Quantencomputer abwehren zu können. Das National Institute of Standards and Technology solle Verschlüsselungsalgorithmen entwickeln, "die einer Quantenattacke widerstehen können". Quantum heißt auch die kriminelle Geheimorganisation in zwei James-Bond-Filmen. Passt doch.

Vielleicht bleibt der Quantencomputer ein unerreichbares Luftschloss. Macht nichts. Auf dem Weg dorthin kann man eine Menge lernen. "Kümmert euch nicht um Anwendungen!", rief Scott Aaronson den Nachwuchsforschern in Heidelberg zu. "Für mich ist die wichtigste Anwendung nur eine: jene Leute zu widerlegen, die einen Quantencomputer für unmöglich halten." Später stiegen sie in die Autos und fuhren nach Speyer. Ins Technikmuseum.

Die Quellenangaben zum ZEIT-Wissen-Artikel finden Sie hier.