26.08.2013

HIGHTECHDie Traum-Maschine

Ein kanadisches Unternehmen hat einen superschnellen Quantenprozessor entwickelt. Erste Kunden, darunter Google, erhoffen sich eine zweite Computerrevolution und neue Software-Anwendungen. Doch Skeptiker bemängeln fehlende Beweise.
Die Maschine, die Krebs heilen, Kampfjets steuern, Aktienkurse vorhersagen und neue Planeten entdecken soll, ist fingernagelgroß. Sie sitzt beinahe unsichtbar am untersten Ende eines fast zwei Meter langen Gewirrs aus Kabeln, Metallplatten und Konduktoren, eingeschlossen von einer schwarzen Box, so groß wie ein Gartenhäuschen. Im Innern herrschen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, völlige Dunkelheit und totale Stille. Nur so kann die bizarre Welt der Quantenmechanik in Erscheinung treten, in der alles anders ist.
Ein halbes Dutzend solcher Maschinen steht bislang in einer noch halbleeren Werkshalle am Stadtrand des kanadischen Vancouver. Hier ist der Firmensitz von D-Wave, dem weltweit ersten und einzigen Produzenten programmierbarer Quantencomputer. Gegründet vor 14 Jahren von Phantasten, so sagen manche. Von Genies, sagen andere. Derzeit sieht es so aus, als läge die zweite Fraktion richtig.
Die längste Zeit hindurch war D-Wave nur wenigen Eingeweihten bekannt. Als aussichtslos und zu verrückt galt selbst Technologieexperten das, woran in den Firmenlabors an der Pazifikküste gearbeitet wurde. Doch jetzt wächst das Interesse an D-Wave rasant. Erst wurde bekannt, wer neuerdings in das Unternehmen investiert: Jeff Bezos, Chef von Amazon und bekannt als einer der klügsten Köpfe in der Technologiebranche, gab mehrere Millionen Dollar Kapital aus dem eigenen Vermögen. Und ein Investor namens In-Q-Tel - finanziert von der CIA.
Dann begann D-Wave die ersten Quantencomputer zu verkaufen. Die Kunden: Google, die Nasa - und 2011 bereits Lockheed Martin, größter Rüstungshersteller der Welt.
Das seltsame, subatomare Reich der Quantenmechanik war bislang in der öffentlichen Wahrnehmung irgendwo zwischen Einstein und "Star Trek" angesiedelt. Unfassbar kompliziert, selbst für die klügsten Wissenschaftler, auch noch Jahrzehnte nachdem Physikgenies wie Werner Heisenberg, Niels Bohr und später Richard Feynman ihre Theorien formulierten. Als Technologie spielen Quantencomputer nur in Science-Fiction-Werken eine bedeutende Rolle. Die Welt der Quanten scheint so absurd, weil sie gegensätzliche Zustände erlaubt: an und aus, ja und nein. Eine theoretische Welt, in der eine Katze gleichzeitig tot und lebendig sein kann, so zeigte es der Physiker Erwin Schrödinger in einem Gedankenexperiment.
Bislang glaubten die Experten, es würden noch Jahrzehnte vergehen, bis es einen Computer geben kann, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzen kann: 0 und 1 zur gleichen Zeit, in einem sich überlagernden Zustand. Die Folgen wären enorm, phantastisch geradezu, aber deswegen auch: kaum vorstellbar.
Doch Google verkündete inzwischen: Wir haben quantenmechanische Algorithmen entwickelt. Auch die anderen ersten D-Wave-Kunden experimentieren offenbar erfolgreich. Alle erhoffen sich Großes: eine zweite Computerrevolution. Fortschritte bei der Künstlichen Intelligenz. Und eine neue IT-Industrie, die über das Internet auf Quantenrechner zugreift und bislang unmögliche Software entwickelt.
Denn die Quantenwelt zu beherrschen bedeutet: schneller rechnen zu können. Millionen Mal schneller - theoretisch. So lassen sich Probleme lösen, die bislang selbst für Supercomputer unmöglich waren oder sie hundert Jahre beschäftigt hätten.
"Die Hoffnung ist, dass Quantencomputer zu neuen Entdeckungen und Technologien führen, die erheblich verändern, wie wir die Probleme der Welt lösen", verkündeten Google und Nasa im Mai zur Eröffnung eines gemeinsamen Quantencomputer-Labors. Die Rechner sollen bei der Lösung hochkomplexer Probleme zum Einsatz kommen, denn dafür seien klassische Computer schlecht geeignet, so die Google-Ingenieure. Etwa Modellrechnungen für den Klimawandel, selbststeuernde Autos oder Spracherkennung. Die Nasa hofft, die neue Rechenkraft unter anderem für die Entdeckung neuer, erdähnlicher Planeten oder den Betrieb von Raumschiffen einsetzen zu können.
"Das ist eine Revolution ähnlich wie in den ersten Tagen der Computer", sagt Ray Johnson, der Chef-Ingenieur von Lockheed Martin. "Es verändert komplett, wie wir über Computer denken."
Der Rüstungshersteller experimentiert mit den D-Wave-Maschinen, etwa um zu überprüfen, ob die Software für Kampfjets fehlerfrei läuft, oder um zu simulieren, wie ein Satellitennetzwerk auf Sonneneruptionen reagiert. Doch während die einen schon von den Möglichkeiten schwärmen, diskutieren andere noch, ob so ein Computer überhaupt funktioniert. Die Skepsis gegenüber D-Wave bleibt groß. Heiße Luft fabriziere das Unternehmen, kritisieren manche Physiker. Schnell sei der Prozessor vielleicht, aber nur durch herkömmliche Technik, nicht durch Quantenmechanik, warnen Computerwissenschaftler. Die Kritiker sind weniger geworden, aber nicht verschwunden.
"Das ist die menschliche Natur, erst einmal abzulehnen, alles, was neu und anders ist, zu kritisieren", sagt Eric Ladizinsky, Mitgründer und Chefwissenschaftler von D-Wave. Müsste man aus einer Menschenmenge rein nach dem Äußeren gehend einen Quantenphysiker herausgreifen, wäre Ladizinsky wohl die letzte Wahl. Über 1,90 Meter groß mit der Statur eines Footballspielers, braungebrannt, seine Armmuskeln dehnen das enge T-Shirt.
Der 51-Jährige las sein erstes Buch über Quantenmechanik schon mit elf Jahren. "Für Laien geschrieben, natürlich", sagt er. Aber trotzdem. Er studierte Physik an der University of California in Los Angeles, wo er große Träume hatte. "Ich wollte den Warp-Antrieb erfinden wie bei ,Raumschiff Enterprise', eine Zeitmaschine bauen", sagt Ladizinsky.
Sein erster Job führte ihn zum damaligen Satellitenhersteller TRW. In der Abteilung für Hochtechnologie kam er wieder mit der Quantenwelt in Kontakt, er arbeitete an einem "Superconducting Quantum Interference Device". Doch der entscheidende Moment, "das große Aha-Erlebnis", kam erst später, 1997, als er eine Vorlesung des Physikers John Preskill besuchte. Preskill sprach davon, welche irren Möglichkeiten sich eröffneten, ließe sich die Quantenphysik mit der damals entstehenden Computerindustrie vereinigen. Ladizinsky beschloss: "Das ist die coolste Sache, die ich je gehört habe. Ich baue einen Quantencomputer."
Ladizinsky überzeugte seinen Chef bei TRW, einen Tag in der Woche an seinem Phantasieprojekt arbeiten zu können. Zwei Jahre lang verschaffte er sich einen Überblick über den Stand der Forschung. Er las ein Buch über das Manhattan-Projekt: Dutzende Wissenschaftler verschiedener Disziplinen, eingeschlossen in einem Labor in New Mexico, entwickelten in wenigen Jahren quasi aus dem Nichts die Atombombe. Ladizinsky fand darin die Antwort auf seine große Frage: Wie lässt sich Fortschritt beschleunigen? Sein Schluss: Um einen Quantencomputer statt in 50 Jahren in 10 Jahren zu bauen, "muss ich ein Mini-Manhattan-Projekt aufziehen".
Er begann, ein Netzwerk aus Quantenexperten zu formieren, sammelte landesweit Physiker und Ingenieure. Er versuchte, den Weg der Bombenbauer zu kopieren über die bewährte Kombination aus öffentlicher Forschung, staatlicher Förderung und militärischen Interessen. Im Jahr 2000 entdeckte auch die US-Regierung das Thema, sie schrieb ein Förderprojekt aus, gesteuert von der Defense Advanced Research Projects Agency, kurz Darpa. Die Behörde hatte unter anderem erheblichen Anteil an der Entwicklung des Internets.
Ladizinsky gewann die Ausschreibung. Doch die beantragten zehn Millionen Dollar kamen nur in kleinen Portionen und verteilt an viele Institutionen. Es folgten drei Jahre Frustration, die Fortschritte waren gering.
Ladizinsky gab das Darpa-Projekt auf. Vielleicht war es Glück, "vielleicht auch Fügung", wie er sagt, denn befreit von Darpa suchte er nach privatem Geld und fand Geordie Rose. In den neunziger Jahren hatte auch Rose begonnen, sich für Quantencomputer zu interessieren, als Physikstudent an der University of British Columbia in Vancouver. Und in zumindest einem Punkt war Rose schon weiter: Er hatte damals bereits seine ersten Geldgeber gefunden.
Im Jahr 2003 schlossen sich die beiden Physiker zusammen, Ladizinsky sammelte Fachleute, Rose Patente. Heute hängen genau 100 Patente fein aufgereiht in der Lobby der Unternehmenszentrale.
Es ging schnell voran, weil sich D-Wave nicht mit technischen Problemen aufhielt, die auch andere lösen konnten. Statt eine eigene Mini-Produktion für Quantenprozessoren aufzubauen, suchte Ladizinsky sich einen Chip-Fabrikanten, der Leerlaufzeiten in seiner Fabrikation hatte. "Alles, was ich tun musste, war, den Halbleiterexperten beizubringen, wie man Supraleiter baut", sagt der Physiker.
2011 war das erste Quantenprozessor-System marktreif, D-Wave One. Vereinfacht dargestellt, funktioniert der Prozessor so: Im Zentrum steht das Quantenbit (Qubit). Es unterscheidet sich von den Informationseinheiten klassischer Computer vor allem in einem Punkt: Ein herkömmliches Bit ist entweder an (1) oder aus (0). Qubits dagegen können Zustände annehmen, die einer Mischung aus An und Aus entsprechen.
Wenn nun mehrere Qubits auch noch miteinander verschränkt werden, lässt sich damit schnell eine unglaublich hohe Zahl von Werten gleichzeitig darstellen. Prinzipiell lassen sich Kalkulationen dadurch extrem viel schneller durchführen als von herkömmlichen Computern.
Die nächste Generation der Quantenprozessoren, der D-Wave Two, hat bereits 512 Qubits, viermal so viele wie der erste Prozessor. Erste Experimente von Google zeigen, dass er auch entsprechend schneller ist.
Bei Rechnungen mit 500 Variablen und verschiedenen Nebenbedingungen war der D-Wave-Computer meist 11 000-mal, bei den schwierigsten Operationen sogar 50 000-mal schneller als bisherige Computer.
Der Quantenrechner ist allerdings nur bei bestimmten Aufgabenstellungen schneller. Sowohl D-Wave als auch Google betonen, dass herkömmliche Computer daher auch nicht ersetzt, sondern vor allem ergänzt werden sollen.
Hinzu kommt, dass die Quantenwelt extrem empfindlich auf kleinste Störungen reagiert - was den Betrieb von Quantenprozessoren extrem aufwendig macht. Jegliche Form von magnetischen Feldern, Strahlung und Erschütterungen müssen ferngehalten werden.
Daher auch die aufwendige "kryogenische Verpackung", um eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts zu erreichen.
Entsprechend schwer sind die Quanteneigenschaften experimentell nachvollziehbar, und das fördert die anhaltende Skepsis mancher Wissenschaftler. In der Wissenschaftsgeschichte gab es immer wieder Beispiele von gefälschten Experimenten, überzogenen Verkündigungen und gänzlich unsinnigen Technologien - von gefälschten Durchbrüchen bei der Stammzellenforschung bis hin zur kalten Fusion.
Selbsternannter Chefkritiker von D-Wave ist Scott Aaronson, ein Computerwissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Aaronson betont, dass es aus seiner Sicht "nur extrem indirekte Beweise" gebe, dass die D-Wave-Prozessoren quantenmechanisch funktionieren. Auch das Google-Engagement beweise nur, dass der D-Wave-Computer "genau einen Nutzen hat, nämlich physikalische Experimente, um die Funktion der Maschine zu verstehen".
Auch Professor Matthias Troyer, Quantenexperte der Technischen Hochschule Zürich, betont: "Die Frage, ob ein zukünftiger D-Wave-Prozessor Vorteile gegenüber einem klassischen Computer haben könnte, ist immer noch offen. Die wichtige Frage ist nämlich nicht, wie schnell der jetzige Prozessor ist, sondern wie die Zeit, um eine Lösung zu finden, mit der Problemgröße anwächst."
Ladizinsky reagiert auf die Skepsis gleichzeitig verständnisvoll und genervt. D-Wave arbeitet mit dem sogenannten adiabatischen Quantenmodell, große Teile der Forschung aber haben sich auf das Quantengatter-Modell konzentriert. Die Modelle unterscheiden sich in wesentlichen Punkten. Für Ladizinsky ist das einer der Hauptgründe, warum niemand so weit gekommen ist wie D-Wave - und warum manche Quantenexperten das Unternehmen kritisieren. "Da gibt es die Angst vor der eigenen Irrelevanz, zu lange aufs falsche Pferd gesetzt zu haben", sagt Ladizinsky. Und fügt hinzu: "Wir laden jeden ein, sich in einen Flieger zu setzen und sich alles von uns hier ganz in Ruhe erklären zu lassen."
Eine Reihe von Forschern haben die Einladung angenommen. Die D-Wave-Prozessoren wurden im vergangenen Jahr unter anderem von Experten der Universität Harvard getestet. Wissenschaftler der University of Southern California schlussfolgern in einem Aufsatz für das Fachblatt "Nature": "Das Gerät scheint als Quantenprozessor zu arbeiten."
Um weiterer Kritik entgegenzutreten, hat D-Wave bereits vor einigen Jahren begonnen, seine Forschung weitgehend publik zu machen. Bislang hat das Unternehmen knapp 60 wissenschaftliche Aufsätze veröffentlicht.
"Meines Wissens sind wir das einzige privatfinanzierte Hightech-Unternehmen, das so etwas macht", sagt Vern Brownell, seit 2009 Vorstandschef von D-Wave und früher Chief Technology Officer von Goldman Sachs.
Derzeit verhandelt Brownell vor allem mit Kunden, die bereit sind, die Möglichkeiten des Rechners mit D-Wave gemeinsam zu erforschen und transparent zu machen. Interessiert seien insbesondere Bioinformatik- und Pharmakonzerne, denn der Quantenprozessor bietet neue Möglichkeiten für die Krebsforschung und die Entdeckung von Medikamenten. Auch für Energie-, Finanz- und Rüstungskonzerne gebe es naheliegende Anwendungen, etwa im Aktienhandel oder bei der computerisierten Steuerung von Kampfflugzeugen.
Zu den Kosten sagt Brownell nichts. Sicher können eher wenige Unternehmen einen riesigen D-Wave-Kühlschrank aufstellen. Allerdings sollen IT-Firmen oder Software-Entwickler auch vor allem online über die Cloud auf D-Wave-Rechner zugreifen. "Jeder soll von den neuen Möglichkeiten profitieren, auch der Entwickler, der an einer neuen iPhone-App bastelt", betont Brownell.
Wie schnell es nun weitergeht und wohin der Weg führt, weiß allerdings niemand, auch Ladizinsky nicht. Klassische Computer sind überfordert, die Möglichkeiten des Quantenrechners vorherzusagen. "Mit 100 000 Prozessorkernen oder der Rechenkraft von Google lassen sich vielleicht noch 30 vernetzte Qubits simulieren", sagt Ladizinsky. Wenn im geplanten nächsten Schritt nun aber bald schon Tausende Qubits in einem D-Wave-Prozessor stecken? "Uns bleibt nur, den Atem anzuhalten, zu schauen, ob die physikalischen Gesetze zusammenbrechen."
Und wenn dieser Moment kommt?
"Selbst wenn das adiabatische Modell doch nicht geeignet wäre, um wirklich diese Traum-Maschine zu schaffen, die in einer Sekunde berechnet, was bislang tausend Jahre dauert", sagt Ladizinsky, "dann passen wir uns eben an und bauen etwas anderes."
Von Thomas Schulz

DER SPIEGEL 35/2013
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