Googles Quantenüberlegenheit "Dieser übermächtige Computer ist praktisch nutzlos"

Quantencomputer sollen einst gewaltige Rechenkraft liefern. Nun meldet Google einen Durchbruch: Quantenüberlegenheit. Aber Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich stutzt den Hype zurecht.
Bauteil von Googles Quantencomputer

Bauteil von Googles Quantencomputer

Foto: Google
Zur Person
Foto: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Tommaso Calarco ist seit 2018 Direktor des Institute of Quantum Control am Peter-Grünberg-Institut am Forschungszentrums Jülich. Seine Spezialität ist die Feinsteuerung von Quantenzuständen, wie sie auch in Quantencomputern erzeugt werden. So ermöglichten Berechnungen seiner Forschungsgruppe die Verschränkung von 20 Qubits zur bislang größten Schrödinger-Katze  - die aber nur weniger als eine Millionstel Sekunde überlebte.

SPIEGEL: Herr Calarco, Google hat mit einem Quantencomputer die sogenannte Quantenüberlegenheit erreicht. Was bedeutet das?

Tommaso Calarco: Zum ersten Mal hat ein Quantencomputer etwas berechnet, das kein klassischer Computer mehr berechnen kann. Damit wurde gezeigt, dass wir überhaupt Maschinen bauen können, die völlig jenseits dessen gehen, was mit klassischen Supercomputern möglich ist.

SPIEGEL: Wie wird so etwas nachgewiesen?

Calarco: Der Quantencomputer löst ein mathematisches Problem. Dann versucht man, das gleiche Resultat mit einem Supercomputer nachzurechnen. Bei wenigen Qubits - dem Quantencomputer-Pendant zum Bit - funktioniert das noch. Wenn aber das Problem größer wird, hält der Supercomputer irgendwann nicht mehr mit. Leider war das in diesem Fall ein völlig abstruses mathematisches Problem ohne praktischen Nutzen. Es wurde genau so konstruiert, dass man damit zeigen kann, dass die Quantenmaschine etwas kann, was ein normaler Computer nicht kann. Selbst viele Experten verstehen das nicht mehr. Aber genau das finde ich spannend: Das ist ein Ergebnis der Grundlagenforschung.

SPIEGEL: Das wissenschaftliche Paper in der Zeitschrift "Nature"  wird als Sensation gefeiert. Was war Ihre erste Reaktion?

Calarco: Toll, dass es endlich passiert ist! Noch vor ein paar Jahren schien es ausgeschlossen, dass wir so schnell an diesen Punkt gelangen. Das ist wirklich ein tolles wissenschaftliches Ergebnis. Google ist damit ein Meisterstück gelungen.

SPIEGEL: IBM hat passend zur "Nature"-Veröffentlichung ein Paper veröffentlicht, wonach das Google-Problem wohl doch auf einem klassischen Superrechner simuliert werden könnte.

Calarco: Das sind nur theoretische Erwägungen, die nichts Grundsätzliches an der Aussage des Google-Papers ändern. IBMs Simulation bräuchte extrem viel Speicherplatz, mehrere Dutzend Petabyte. Und trotzdem wäre sie Hunderte Male langsamer und energetisch ineffizienter als Googles Quantencomputer. Und müsste sie nur ein paar Qubit mehr berechnen, würde der Vergleich eh nicht mehr funktionieren. Das ist alles interessant, aber nur als Teil der wissenschaftlichen Debatte.

SPIEGEL: Muss ich mir als normaler Computernutzer nun Sorgen machen? Ist Verschlüsselung damit wertlos geworden? Werden wir bald von übermächtigen Computern beherrscht?

Calarco: Nein, wir haben nichts zu befürchten - und außerhalb der Wissenschaft auch nichts zu feiern. Dieser übermächtige Computer ist praktisch nutzlos und lediglich für Wissenschaftler interessant. Mit ihm wird man weder Codes knacken noch andere nützliche Probleme lösen können. Dafür bräuchte es Quantencomputer mit mehreren Tausenden, wenn nicht Hunderttausenden Qubits. Die Google-Maschine verfügt aber gerade einmal über 53. Das ist eine unglaublich schöne ingenieursmäßige Leistung. Aber für praktische Anwendungen noch viel zu wenig.

SPIEGEL: Wie wird daraus etwas Nützliches?

Calarco: Das Problem ist die Skalierbarkeit. Erst, wenn wir ausreichend viele Qubits mit ausreichend guter Qualität zur Verfügung haben, können wir wirklich nützliche Berechnungen durchführen. Der nächste Meilenstein ist deshalb das ewig lebende Qubit. Das bedeutet, dass aus mehreren unperfekten Qubits wenige, dafür beliebig präzise Qubits erzeugt werden. Danach kommt die Kombination möglichst vieler solcher fehlerkorrigierter Qubits. Und sobald wir fünfzig, hundert, ein paar Hundert davon haben, sind wir im Business. Dann können wir die ersten nützlichen materialwissenschaftlichen und quantenchemischen Rechnungen durchführen.

SPIEGEL: Wie lange wird das dauern?

Calarco: Mit den ersten fehlerkorrigierten Qubits rechnen wir schon in den nächsten Jahren. Experimente dazu laufen schon. Deren Kombination sollte in zehn bis - was realistischer wäre - 20 Jahren funktionieren. Sollten wir das bis dahin nicht hinbekommen, wäre es ein Zeichen, dass wir nicht das Zeug dazu haben.

Kryostat für den Quantencomputer, der im Rahmen des OpenSuperQ-Projektes entwickelt und in Jülich betrieben wird - Quantenchips werden hier auf minus 273,13 Grad gekühlt

Kryostat für den Quantencomputer, der im Rahmen des OpenSuperQ-Projektes entwickelt und in Jülich betrieben wird - Quantenchips werden hier auf minus 273,13 Grad gekühlt

Foto: Forschungszentrum Jülich

DER SPIEGEL: Das heißt, es ist gar nicht sicher, dass Quantencomputer jemals das Labor verlassen? Was bliebe dann übrig vom Quantentraum?

Calarco: Oh, sehr vieles bliebe dann übrig! Der Quantentraum besteht nicht nur aus Quantencomputing. Dazu gehören auch die Quantenkommunikation, Quantensimulationen, die ohne Fehlerkorrektur auskommen, und ganz wichtig: Quantensensoren. Damit sind ultrapräzise Messungen in der medizinischen Diagnostik und ultragenaue Zeitmessungen für die Navigation möglich. Solche Themen werden im von Google und andere Unternehmen geprägten Diskurs in den Hintergrund gedrängt. Aber sie können einen wichtigen Beitrag zur Gesellschaft leisten.

SPIEGEL: Das sagen Sie nicht nur, weil Europa zufällig stark in diesem Bereich ist, oder?

Calarco: Erstens: Auch die nationalen Quantenstrategien der USA, Japan und Großbritannien setzen auf all diese Komponenten. Zweitens sind wir in Europa nicht nur in der Quantensimulation und Quantensensorik, sondern auch im Quantencomputing stark. Wir benutzen keine supraleitenden Qubits wie Google oder IBM, sondern arbeiten zum Beispiel schon mit Ionen-Qubits. Da hat Europa die Nase ganz vorn.

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