Die Wundermaschine soll die Welt verändern. Binnen Sekunden soll sie Rechenaufgaben lösen, für die heutige Supercomputer Jahre benötigen. Sie soll Datenbanken in Rekordtempo durchsuchen, Verkehrsströme optimieren, neue Arzneimittel entwickeln, der künstlichen Intelligenz zu Höchstleistungen verhelfen. Und natürlich soll sie auch den heutigen Kryptostandard RSA aushebeln, mit dem unter anderem der Zahlungsverkehr im Internet verschlüsselt wird.

Die Wundermaschine ist der Quantencomputer. Seit den 1970er Jahren träumen Wissenschaftler von ihm. In den 2000er Jahren sah es so aus, als würde die Technologie nie Wirklichkeit. Aber in den vergangenen fünf Jahren haben Physiker, Ingenieure und Informatiker Fortschritte gemacht. Sie haben Forschungsprototypen mit mehreren Dutzenden »Qubits« entwickelt, jener wundersamen Recheneinheit, die statt auf klobigen Transistoren auf einzelnen Atomen oder supraleitenden Schaltkreisen basiert.

Parallel dazu haben große Internet- und Technologiekonzerne sowie das Militär das Feld für sich entdeckt. Sie fördern den Bereich der Quantentechnologien mit großen Geldbeträgen, insbesondere in den USA und Asien. Europa will in einem milliardenschweren »Forschungsflaggschiff« der EU zur Konkurrenz in Übersee aufschließen.

Der erste kommerzielle Quantencomputer

Nun kommt aus den USA eine Nachricht, die den Zeitpunkt zu markieren scheint, zu dem Quantencomputer endlich die Schwelle zwischen Fiktion und Realität überschreiten: IBM bietet erstmals einen 20-Qubit-Quantencomputer zum Verkauf an, wie das Unternehmen jüngst auf einer großen Elektronikmesse in Las Vegas bekannt gab. Ein aufwändiger Werbeclip stellt den von Designern entworfenen, drei mal drei Meter großen Kasten samt Inhalt der Öffentlichkeit vor.

Ist das nun der große Durchbruch? Es ist jedenfalls nicht das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer auf dem Markt für Supercomputer etablieren will. Seit Jahren vertreibt die kanadische Firme D-Wave einen ausschließlich für Optimierungsprobleme einsetzbaren »Ein-Zweck-Quantencomputer«. Die IBM-Maschine soll mehr können und im Prinzip sämtliche Quanten-Algorithmen ausführen. Weitere Details, etwa zur so genannten Kohärenzzeit oder Fehlerrate, sind bisher nicht öffentlich bekannt. Die Pressemitteilung enthalte zu wenige Informationen, um die Maschine seriös zu beurteilen, teilen mehrere Quantenphysiker auf Anfrage von »Spektrum.de« mit.

Für IBM ist die Bekanntgabe ein Teil des Versuchs, die Technologie weiterzuentwickeln. Die Schwächen von Quantenrechnern dürften deutlicher zu Tage treten, wenn sie außerhalb der Entwicklerlabore betrieben werden. Und je mehr Leute an diesen Schwierigkeiten arbeiten, desto eher könnte man sie überwinden. Seit 2016 bietet IBM bereits einen Cloud-Service an, über den Informatiker auf einen rudimentären Quantenrechner des Unternehmens zugreifen können. Das diente dem Ziel, die Arbeit an Quanten-Algorithmen voranzutreiben, von denen sich Experten unter anderem Antworten auf einige der noch gewaltigen Probleme der Technologie erhoffen.

Ein ähnliches Kalkül dürfte hinter der nun kommerziell angebotenen Maschine stecken: Sie dürfte zeigen, wie viel Kunden von IBM bereits mit der absoluten Basisversion von Quantenhardware anfangen können – und den Entwicklern wertvolles Feedback für die Optimierung ambitionierterer Prototypen geben. Eine nette Marketingaktion ist das Ganze natürlich auch.

Schwer vorstellbar ist derweil, dass der IBM-Quantencomputer seinen Käufern aktuell einen großen Vorteil im Vergleich zu herkömmlicher Hardware bieten wird. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Quantencomputer erst ab 50 bis 100 Qubits ausgewählte Rechnungen etwas schneller durchführen könnten als gängige Supercomputer. Die echte »Quantenrevolution«, durch die etwa der RSA-Verschlüsselungsstandard obsolet werden könnte, beginnt frühestens bei einigen Tausend rechnenden Qubits.

Rechenfehler könnten den Traum zunichte machen

Und diese Zahlen sind auch nur ein Teil der Wahrheit: In den vergangenen Jahren hat sich die Korrektur von hardwarebedingten Fehlern als zentrale Herausforderung für Quantencomputer herauskristallisiert. Sie treten bei Quantenrechnungen viel leichter auf als bei ihren wesentlich robusteren klassischen Pendants mit ihren Silizium-Transistoren. Deshalb müssen Quantencomputer nahe dem Temperaturnullpunkt im Vakuum betrieben und extrem gut gegen Vibrationen abgeschirmt werden.

Trotzdem zerstört die Umgebung frustrierend schnell die extrem fragilen quantenmechanischen Verbindungen zwischen den Qubits, denen der Quantencomputer seinen Zauber verdankt. Mehr als ein paar hundert Rechenoperationen in Folge sind für einen Quantenschaltkreis daher bislang nicht möglich, und selbst das gilt als Spitzenwert.

Ab einer Million Qubits geht es los

Damit ein Quantencomputer wie gängige Computer viele Milliarden logische Operationen hintereinander ausführen kann, muss jede der Recheneinheiten von einem Heer nur dafür eingesetzter Kontroll-Qubits überwacht werden. Für 100 fehlerfrei arbeitende Qubits benötige man eine Million Kontroll-Qubits, schätzt etwa Googles Quantencomputer-Mastermind John Martinis.

Ein Quantencomputer dieser Größe ist nach wie vor Sciencefiction. Ein echter Durchbruch auf dem Weg zum Quantencomputer ist die IBM-Ankündigung also nicht. Sie erinnert aber daran, wie weit öffentliche Wahrnehmung und Wirklichkeit in dem Feld zum Teil auseinanderklaffen.

Das investorengetriebene Wettrennen zu ersten Quantencomputer-Prototypen hat einen regelrechten Hype losgetreten, in dem es immer schwieriger wird, die Orientierung zu behalten. Wer neugierig und unbedarft über die Webseiten für Techniknews surft, ist vermutlich längst der Meinung, dass Quantencomputer sehr bald Realität werden – und ganz gewiss die Welt verändern werden. Schließlich sind solche Seiten voll von Jubelnachrichten, die den Siegeszug der Technologie zu belegen scheinen.

Wissenschaftler sind oft zurückhaltender. Öffentlich äußern sie ihre Skepsis selten, insbesondere in den Ländern, in denen die Investorengelder besonders üppig fließen. Manche Forscher sind sicherlich auch zurückhaltend, weil sie Patente angemeldet haben oder an Start-ups arbeiten, die von dem großen Hype profitieren könnten. Viele wollen wohl auch nicht als Nestbeschmutzer gelten oder ihre Grundlagenforschung auf dem Gebiet gefährden.

Dabei gelten Quantencomputer nach wie vor als Wette auf die Zukunft, und nicht einmal auf eine sonderlich nahe. Sie erinnern in diesem Sinn an die Kernfusion – das Bestreben, in einem Reaktor eine kleine Sonne zu zünden und damit Energie zu erzeugen. Seit 50 Jahren gilt sie als etwas, das in 50 Jahren gelingen könnte, trotz vieler Milliarden, die bereits in die Entwicklung von Testanlagen geflossen sind.

Wer mit Quantenphysikern ins Gespräch kommt oder ihre Veröffentlichungen liest, entdeckt Zweifel, die in der allgemeinen Internetberichterstattung oft untergehen. So sind Experten zwar von den Fortschritten der vergangenen Jahre überrascht. Die meisten wissen jedoch, dass solchen Durchbrüchen in der Technologieentwicklung sehr oft Phasen der relativen Stagnation folgen, wie sie auch die Quantencomputerforschung immer wieder erlebt hat.

Nach wie vor ein »Moonshot«

Gut möglich, dass die Entwickler von Quantencomputern bald wieder an solch einem Punkt angelangt sind. So ist es verdächtig still um das Rennen hin zur »Quantum-Supremacy« geworden, die mehrere US-Forscherteams eigentlich Anfang 2018 erreichen wollten. Gemeint ist der Zeitpunkt, an dem ein Laborquantencomputer zu Demonstrationszwecken erstmals eine spezielle Sortieraufgabe schneller ausführt als ein für dieses Problem optimierter Supercomputer.

Auffällig ist auch, dass Quantencomputer im Flaggschiff-Projekt der EU zwar vorkommen, aber keineswegs im Mittelpunkt stehen. Das Forschungsvorhaben soll die Entwicklung von Quantentechnologien in Europa in den kommenden zehn Jahren mit bis zu einer Milliarde Euro fördern. Als greifbare Anwendung werden allerdings eher bessere Atomuhren und empfindlichere Sensoren gehandelt, langfristig vielleicht auch abhörsichere Quantennetzwerke.

Der Quantencomputer ist hingegen nach wie vor das, was Forschungsförderer einen »Moonshot« nennen. Ein spektakuläres, klar umrissenes Ziel in sehr großer Entfernung. Ob die Menschheit mit ihren technischen Möglichkeiten je dorthin gelangen kann, ist offen. Nur weil es beim Mond geklappt hat, muss es beim Quantencomputer nicht wieder gelingen. Das sollte man bei allen Meldungen zu diesem Thema im Hinterkopf behalten.