Der Quantensprung

Quantentechnologie lässt Computer deutlich schneller und komplexer rechnen. Wie verändert das Kommunikation und Leben?Wenn es um die Zukunft geht, kann Angela Merkel ungeduldig sein. So auch bei einer Ausstellung anlässlich des vergangenen Digitalgipfels der Bundesregierung. Nach den eher umfangreichen Ausführungen vom Chef des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena summierte die Bundeskanzlerin in der ihr eigenen Sachlichkeit: „Es dauert also noch ein bisschen, bis diese Dinger kommen.“

„Diese Dinger“ stehen für die Zukunft der Computertechnologie, beruhend auf den Gesetzen der Quantenphysik. Als Physikerin weiß Angela Merkel das genau. Ein Exemplar hält sie locker in der Hand. Im Inneren der goldenen Metallkonstruktion wird in absehbarer Zeit eine Quantenquelle verschränkte Lichtteilchen erzeugen, mit denen sich eine abhörsichere Verschlüsselung herstellen lässt – und damit ein Beitrag zur „Datensouveränität“ der Bundesregierung. Voraussetzungen für diese Vorstellung, wie das Termin-Briefing beschreibt: „ein großer Monitor, ein Stromanschluss und 6 Quadratmeter“.

Voraussetzungen für den Durchbruch des Quantencomputings: ein großer Wille, der Anschluss an die internationale Forschung und sehr viel Geld und Geduld. Vor allem aber verlangt das Quantencomputing, dass wir uns von einigen lieben Gewissheiten verabschieden. Das ist selbst Albert Einstein schwergefallen. Er nannte die Quantenphysik, die auch die Grundlagen für den Quantencomputer schafft, einst „spukhaft“.

Gespenstisch daran ist auch heute für viele, dass die einst ehernen Gesetze der Physik nicht mehr gelten sollen, die seit Isaac Newtons „Principia Mathematica“ (1687) die Grundlage unseres Denkens bestimmt haben. Sehr einfach beschrieben: Ein Stein liegt am Boden. Wenn ich ihm einen Tritt verpasse, fliegt er eine gewisse Strecke und landet dann wieder am Boden. Der Stein hat immer eine exakte Position im Raum, die sich über die Zeit verändern kann. Unvorstellbar, dass der Stein an zwei Orten gleichzeitig sein könnte.

Oder aber doch? Genau das sagt die Quantenphysik. Jedenfalls wenn es um kleinere Teilchen als Steine geht, ein Elektron zum Beispiel. Das existiert nicht in einem bestimmten Zustand, an einem Ort, der sich nur im Verlauf der Zeit verändern kann. Es existiert immer in einer Wolke der Wahrscheinlichkeit. Alles in unserer Welt, jedes Teilchen, aus deren Vielzahl sie sich im Größeren zusammensetzt, bleibt im Verschwommenen, im Ungenauen. Es sei denn, es guckt jemand zu. Ob zwei Menschen in einem geschlossenen Raum entfernt voneinander auf zwei Sesseln sitzen oder sich in der Mitte des Raumes umarmen, weiß auch niemand. Es sei denn, er oder sie öffnet die Tür und schaut in den Raum hinein.

Die Teilchenwelt der Quantenphysik funktioniert also ganz anders als die makroskopische Welt, in der wir uns als Menschen bewegen. Diese Vorstellung war und ist für viele Menschen eine Zumutung, nicht nur für Albert Einstein. Für die Computertechnologie ist es die Zukunft.

Quantum: Kampf der Titanen

Womit wir an der Schwelle zur wunderbaren Welt der Quantencomputer wären. Eine Technologie, die in diesen Monaten riesige Fortschritte macht. Die nicht nur Computern völlig neue und gigantische Rechenleistungen ermöglicht, sondern auch Architektur und Anwendungen des heutigen Internets völlig neu aufsetzen kann – vor allem, wenn sie sich mit der zweiten technologischen Revolution, dem stetigen Fortschritt der künstlichen Intelligenz, verbindet.

Mit IBM Quantum will IBM komplexe Probleme lösen, die für existierende Supercomputer unlösbar sind. 

Überall auf der Welt erschaffen Konzerne und Wissenschaftler:innen derzeit Quantencomputer neuen Typs: Googles „Sycamore“, der Ende 2019 einer der größten Durchbrüche in der Welt der Rechnerforschung seit Jahrzehnten war, braucht 200 Sekunden für eine Aufgabe, für die der derzeit weltbeste traditionelle Supercomputer, einst gebaut von IBM, 10.000 Jahre benötigen würde. IBM wiederum hat einen eigenen Superrechner, der mittlerweile Ähnliches kann, und entwickelt in Ehningen bei Stuttgart einen zweiten, der in diesen Wochen in Betrieb gehen soll. Auch Microsoft, die kanadische D-Wave-Gruppe, Amazon, Alibaba, mehrere chinesische und japanische Technologiekonzerne sowie Hunderte Spitzenforschungsinstitute in aller Welt arbeiten an Ähnlichem.

Ende des vergangenen Jahres verkündete ein chinesisches Forscher:innenteam, den Durchbruch geschafft zu haben. Der chinesische Quantencomputer soll manche Rechenaufgaben angeblich zehn Milliarden Mal schneller lösen können als Googles Prototyp. Zeichnet sich hier etwa der neue Wettbewerb der Tech-Nationen ab? Aber ja!

Chinas Regierung baut ein zehn Milliarden Dollar teures Nationallabor für Quanteninformationswissenschaften als Teil eines strategischen Vorstoßes in diesem Bereich. In den USA stellte die Regierung im Jahr 2020 eine Milliarde Dollar für die Forschung in den Bereichen künstliche Intelligenz und Quantencomputing zur Verfügung. In der Europäischen Union hat die EU-Kommission 2018 das „Quantum Technologies Flagship“ mit einem Budget von insgesamt mehr als einer Milliarde Euro gestartet. Wie hart der Kampf in diesem Feld gefochten wird, signalisiert auch die martialische Sprache: Es geht um „Quantum Supremacy“.

Das Ziel ist, Quantencomputer breit einsetzbar, also marktfähig zu machen. Wer das schafft, hat den Schlüssel zur Goldgrube der Zukunft gefunden. Das wird nicht mit einem einmaligen Durchbruch geschehen. Sundar Pichai, CEO von Alphabet und Google, sagt: „Das wird definitiv nicht einfach.“ Es braucht willige Regierungen und sehr viel Geld und Einsatzbereitschaft, um hier Fortschritte zu erzielen. „Das wird eine Anstrengung über mehrere Jahrzehnte sein“, so Pichai. „Aber die nächsten drei bis fünf Jahre werden interessant, wenn wir die Infrastrukturen zur Verfügung stellen, und Entwickler:innen auf aller Welt können damit arbeiten.“

Mehr als „50 Shades of Grey“

Es wird überhaupt erst möglich, weil IT- und Quantenphysik verschmelzen. Statt wie bisher Computer in Bits rechnen zu lassen, verwenden moderne Quantencomputer QuBits: kleine Lichtteilchen, die so elastisch sind, dass sie nicht nur den Zustand 0 und 1 annehmen können, sondern auch jeden flexiblen Zustand dazwischen. Mit Quant beschreibt die Wissenschaft den kleinstmöglichen Wert einer physikalischen Größe. So ist etwa ein Teilchen, wie ein Photon, nicht teilbar.

Was man sich wie ein Dauer-Trudeln der kleinen Informationseinheiten im Rechner vorstellen muss, erlaubt bei einer Fähigkeit, die Teilchen exakt zu lenken, eben auch enorm schnelles Parallelrechnen – weil die QuBits durch ihr instabiles Schweben im Raum ständig wandelnde Eigenschaften annehmen können.

Das setzt die Grundgewissheiten bisheriger Computerevolution außer Kraft: Bislang lief technologischer Wandel nach dem Prinzip „je schneller, desto besser“. Forscher:innen drehten alle paar Monate an der Geschwindigkeit, mit der Rechner Aufgaben lösten, und so gab es seit den 1950er-Jahren beständigen Fortschritt.

Geschwindigkeit ist aber zweidimensional: Sie definiert sich darüber, in welcher Zeit ein Teil – in diesem Fall ein Bit – von A nach B kommt. Mit dem Quantencomputer wird der Fortschritt dreidimensional: QuBits verringern nicht nur die Zeit zwischen A und B, sondern ermöglichen auch, noch C, D, E etc. mit auf den Routenplan zu nehmen. Das Spielfeld des Fortschritts ist nun keine Linie mehr, sondern ein Raum. Ein Raum, in dem nichts logisch, aber alles möglich ist.

Das ist durchaus metaphorisch zu sehen. „Bisherige Computer arbeiten, wie wir eine Münze werfen“, sagt der US-Journalist und Kolumnist der „New York Times“ Tom Friedman. „Heraus kommt immer Kopf oder Zahl. Beim Quantencomputer dreht sich die Münze endlos auf dem Tisch, dabei sind immer beide Seiten präsent.“ Die ehemalige IBM-Chefin Ginni Rometty meint dazu: „Quantum ist die physikalische Variante von ,shades of grey‘“ (und es gibt weit mehr als 50).

Für Sundar Pichai steht das sogar für eine Rückannäherung an die Natur, die in vielerlei Hinsicht so funktioniert wie auch ein Quantencomputer – nicht mit der binären Unterscheidung zwischen 0 und 1, sondern mit vielen Zwischenzuständen. „Quantum wird es uns erlauben, die Welt tiefergehend zu verstehen und zu simulieren“, sagt Pichai.

Miriam Meckel und Léa Steinacker sprechen im ada-Podcast über Chancen und Risiken der Quantentechnologie.

Das Quanteninternet

Schon die Entwicklung einzelner Quantencomputer eröffnet ungeahnte Erkenntnishorizonte. Aber wer sagt denn, dass diese Super-Rechner jeder für sich allein rechnen müssen? Ihre Vernetzung untereinander, so wie es das Internet bisher mit „normalen“ Rechnern schon vorgemacht hat, wird ihre Vorteile erst so richtig zur Geltung bringen.

Auch diese Entwicklung steht technologisch noch relativ am Anfang, die Fortschritte in den vergangenen Monaten aber sind immens. Die Idee, im Grundsatz, hinter einem Quantenweb: Dank quantenphysikalischer Phänomene lassen sich Daten sicher als Lichtteile übertragen. Sie müssen also nicht mehr linear vom Sender über viele Zwischenstationen zum Empfänger gelangen – und das bei den begrenzten Leitungskapazitäten des heutigen Internets. Stattdessen, extrem vereinfacht ausgedrückt, beamen Rechner sie in Befehle umgewandelt als Lichtteilchen direkt vom Sender zum Empfänger. Die Informationen selbst gehen gar nicht mehr auf Reisen, nur Laserphotonen, die Befehle über Glasfasernetze, per Unterseekabel oder auch durch die Luft zum Empfänger transportieren.

Lange war das eine theoretische Spielerei, es gelang Forschenden zuverlässig zwischen zwei Kommunikationspartner:innen, aber mehr dann auch nicht. Ende 2020 gab es den Durchbruch: Ein Team um den Google-Forscher Siddarth Joshi schaffte es, das Ganze in einem Netzwerk aus acht Rechnern absolut sicher und besonders schnell durchzuführen. Seitdem sehen viele das Quantenweb nicht mehr als Utopie, sondern als reale Zukunft.

„Noch vor einiger Zeit“, sagte der zwischenzeitlich verstorbene US-Physiker Jonathan Dowling im vergangenen Jahr, „hätte ich gewettet, dass ein Netz aus Quantenrechnern erst in 100 Jahren kommt. Mittlerweile würde ich sagen: In zehn Jahren haben wir eine Infrastruktur, die wir als Quantenweb bezeichnen können.“

In drei Schritten zum Quantenweb

Der Fortschritt könnte auch deswegen schnell gehen, weil das Quantenweb das bisherige Internet nicht ersetzen, sondern Stück für Stück ergänzen wird. Die Quantenphysikerin Shohini Ghose sagt: „In der Zukunft des Internets ist es also nicht so, dass das gesamte reguläre Internet irgendwie verschwindet und alles zum Quant wird. Es wird wahrscheinlich ein Hybrid sein, eine erweiterte Version dessen, was wir heute haben.“ Zu Beginn werden Nutzer:innen schon profitieren, ohne es überhaupt zu merken.

Physiker Jonathan Dowling prophezeite: Das Quanteninternet wird in drei Schritten eingeführt. „In Quantum-Internet 1.0 [...] macht das Netzwerk eines: Es setzt landesweit Quantenkryptografie ein, um seine Daten zu sichern.“ Diese Phase läuft in China bereits seit 2016. Bis 2025 will das Land seine gesamte Regierungs- und Finanzkommunikation darauf umstellen. „Quantum-Internet 2.0“, so Dowling, „wird dieses Netzwerk erweitern, indem mehr Teilnehmer:innen als bis dato auf diese Art verschlüsselt miteinander kommunizieren können.“ In dieser Phase werde weiterhin das traditionelle Internet erforderlich sein, da die meisten Nutzer:innen mit herkömmlichen Geräten ins Netz gehen werden. „Im Quantenweb 3.0 schließlich wird das klassische Internet jedoch vollständig verschwinden“, vermutete Dowling.

Das wäre dann tatsächlich die Revolution. Nicht nur weil Europa in dieser Technologie bislang mit den USA und China mal auf Augenhöhe spielt, trotz Googles und IBMs öffentlich sichtbarer Erfolge in manchen Feldern sogar vorne liegt. Sondern auch weil das Quantenweb die Innovation sein könnte, die viele der anderen Technologien und Hoffnungen der Netzökonomie zusammenbringt: Maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz, das Internet der Dinge, sichere Kommunikation – all das wird durch ein Quantenweb womöglich erst so richtig praxistauglich.

„Das Quantenweb“, sagt Fraunhofer-Präsident Reimund Neugebauer, „ist in mindestens zwei Bereichen revolutionär: Quantenkommunikation wird deutlich sicherer und Quanten-Imaging ermöglicht es, Sensoren zu benutzen, wie es bisher nicht ging.“ Diese Sensoren arbeiten mit einer bislang unvorstellbaren Präzision. Sie können Krankheiten identifizieren, bevor sich überhaupt erste Symptome zeigen. Sie lassen ein autonom fahrendes Auto erkennen, ob jemand außerhalb des Sichtfelds um die Ecke gerade auf Kollisionskurs ist.

Das klingt schon wieder ein wenig „spukhaft“, um es mit Einstein zu sagen – so als hätte ein solcher Sensor telepathische Fähigkeiten. Er hat eben Fähigkeiten, die sich aus den Prinzipien der Quantenphysik ergeben. Und die passen nicht so recht dazu, wie wir die makroskopische Welt sehen – oder auch das Internet.

Das Web wird leistungsfähiger

Bisher rechnet der digitale Computer ja sehr rational und organisiert, er ist der Preuße der Elektro-Welt: Nach zuvor festgelegten Regeln schafft er auch die größten Arbeitsmengen, indem er sie stoisch in Aufgaben unterteilt, diese in eine Reihenfolge bringt und zu jeder Aufgabe nach und nach jeweils eine Entweder-oder-Entscheidung trifft. Hat er sich für 0 oder 1 entschieden, geht er die nächste Aufgabe an. Das ist sehr rational. Aber auch sehr langsam.

Es gibt irgendwann einen Entscheidungsstau. Zu beobachten ist das beim Internet der Dinge. Sollen künftig immer mehr Geräte smart und autonom miteinander kommunizieren, besteht das Netz irgendwann aus Billionen von Zugängen. Das kann mit der bisherigen Netzarchitektur kaum gesteuert werden. Mit dem Quantenweb aber schon. Ein autonom fahrendes Auto kann mitten im Verkehr nicht darauf warten, dass irgendwann das Netz so gnädig ist, ihm die Daten zu übermitteln, die über links oder rechts, Bremsen oder Beschleunigen entscheiden. Und man mag sich auch nicht vorstellen, was geschieht, wenn das System gehackt wird. Im Quantenweb ist das eine sicher, das andere ausgeschlossen.

Entsprechend euphorisch ist die Industrie. „Ich kann sagen, dass wir im vergangenen Jahr, seitdem wir unser Quantencomputing-Angebot Amazon Braket auf den Markt gebracht haben, enormes Interesse daran sehen, vor allem von größeren Unternehmen“, so Amazons Technologie-Chef Werner Vogels Anfang des Jahres in der FAZ. „Biowissenschaften, Pharma, Finanzdienstleister – sie alle beschäftigen sich damit und haben eine Ahnung, was Quantencomputing für sie tun könnte.“ Und die kanadische Quantenphysikerin Shohini Ghose sagt: „Es gibt so viele offensichtliche Anwendungen“.

Quantencomputer setzen, sobald sie einmal miteinander vernetzt sind, eine sich selbst verstärkende Entwicklung in Gang. Und das liegt an ihrer absoluten Sicherheit. Bisher funktioniert das Verschlüsseln von Daten so: „Wenn ich eine Nachricht wie ,Hallo‘ senden möchte“, erklärt Ghose, „wird dieses ,Hallo‘ in eine Folge von Nullen und Einsen umgewandelt. Und das Signal überträgt diese Folge von Nullen und Einsen zu einem Satelliten im Orbit, der dann dieses bestimmte Signal an meinen Freund in Australien überträgt.“ Dieser weiß dann, dass ein „Hallo“ eingegangen ist.

Das Quanteninternet nutzt dagegen elektromagnetische Funksignale, die aus Lichtwellen bestehen. Und diese einzelnen Lichtwellen haben Lichtteilchen, die Photonen genannt werden. Diese Teilchen wissen sozusagen voneinander, weshalb das Verfahren auch Teleportation genannt wird. In der verschlüsselten Kommunikation der Zukunft wird nichts mehr übertragen oder ausgetauscht, sondern Lichtteilchen sprechen miteinander. Ihr Geheimnis verraten sie immer nur denen, die Anspruch darauf haben.

Titelbild: Getty Images