Die Suche nach einem neuen Computer

Jeder, der einen Computer benutzt, wird sich schon oft darüber gewundert haben, wie schnell so eine Maschine doch viele Aufgaben erledigen kann, für die wir Menschen oft ungleich länger brauchen, bzw. welche wir eigentlich selbst gar nicht mehr lösen könnten. Doch ungeachtet der immer schneller werdenden Computer gibt es doch Rechenprobleme in Wissenschaft und Technik, bei denen Computer des aktuellen Typs an ihre harten Grenzen stoßen. Eine effektive Steigerung der Rechengeschwindigkeit verspricht man sich vom sog. Quantencomputer, ein bislang rein theoretisches Konzept, das Performancesteigerungen um Größenordnungen verspricht.

Die Rechenleistung unserer derzeitigen Computer verdoppelt sich etwa alle 8 Monate. Für Anwendungsbereiche wie etwa die Kryptoanalyse würde man aber Computer benötigen, die milliardenfach schneller als heutige Rechner sind. Die Kryptoanalyse beschäftigt sich mit der Sicherheit von Verschlüsselungsverfahren. Im Jahre 1985 hatte der britische Physiker David Deutsch erstmals einen Artikel über das Prinzip eines Computers basierend auf der Quantenmechanik veröffentlicht. Wenn wir in den folgenden Zeilen ein paar Prinzipien davon erklären und der Leser die Konzepte nicht so wirklich einordnen kann, so liegt das an der Natur der Sache selbst. Denn schon der renommierte Physiker Nils Bor hatte gemeint: „Jeder, der über die Quantenmechanik nachdenken kann, ohne dass ihm schwindlig wird, hat sie nicht verstanden.“ Trotzdem werden wir ein paar Konzepte an der Oberfläche streifen, um eine gewisse Vorstellung zu geben.

Das Superpositionsprinzip – oder gar Multiversum?

Forschungen über das Grundprinzip der Quantenmechanik begannen schon im Jahre 1799, als der englische Mathematiker Thomas Young mit Licht experimentierte. Als er vor eine Lichtquelle eine Platte mit zwei Spalten hielt, bemerkte er dabei Interferenzmuster, die sich nur so erklären ließen, als dass das Licht auch Wellencharakter habe und sich fächerförmig hinter beiden Spalten ausbreitet und so zu Abschwächungen und Verstärkungen kommt. Soweit noch nicht allzu sehr besonders. Allerdings hatte man dieses Experiment später mit einer speziellen Lampe wiederholt, die in der Lage ist, ein einzelnes Lichtphoton abzugeben. Da sich jedoch auch damit wieder dieses charakteristische Interferenzmuster ergeben hatte, war die einzig „plausible“ Erklärung, das einzelne Lichtphoton sei quasi durch beide Spalte gewandert. Dieses höchst eigenartige Verhalten versucht man etwa mit der Theorie des Superpostitionsprinzipes bzw. der Vielwelten-Deutung erklärt. Beides sind keine vertrauten Phänomene in der durch unsere fünf klassischen Sinne wahrgenommene Welt: Das Superpostionsprinzip besagt, dass ein Teilchen sich in mehreren Zuständen zugleich befinden könne. Die Vielwelten-Deutung ist nicht einfacher, da sie besagt, dass bei jedem Auftreten von alternativen Vorgängen sich das Universum aufspaltet und in jeder Kopie eine andere Alternative aufgeführt wird, wobei die Universen in gewisser Wechselwirkung zueinander stehen.

Zurück zur Praxis

Derzeit ist man noch nicht in der Lage, die technischen Herausforderungen vollends zu bewältigen, damit man einen Quantencomputer bauen kann. Jedoch gibt es schon jetzt spezielle Programme für so einen bislang hypothetischen Quantencomputer, die enorme Steigerung in der Rechenleistung möglich machen. Verwendet ein herkömmlicher Computer etwa als Speichereinheit bits, welche die Werte logisch Wahr und logisch Falsch annehmen kann, so verwendet der Quantencomputer sog. Qubits, welche gemäß dem Superpositionsprinzip mehrere Zustände parallel annehmen können. Auf diese Weise lässt sich mit vielen Daten parallel rechnen, womit sich die wesentlich höhere Performance erklärt.

Was passiert, wenn es ihn endlich gibt?

Viele Regierungen wären bereits gerne im Besitz eines Quantencomputers, denn damit könnte man etwa sämtliche derzeit für herkömmliche Computer existierenden Verschlüsselungstechniken knacken. Allerdings sei erwähnt, dass sich durch die Quantenmechanik auch neue, „absolut“ sichere Verschlüsselungstechniken realisieren lassen. Die Sicherheit dieser neuen Verschlüsselungstechniken kann solange als garantiert angenommen werden, solange die Theorie der Quantenmechanik als solche korrekt ist. Abschließend ein kleines Beispiel, um sich die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern vorzustellen: Um eine 129-stellige Zahl in seine Primfaktoren zu zerlegen, brauchte man mit 600 parallel arbeitenden Computern mehrere Monate. Mit einem von Peter Shor 1994 für Quantencomputer entwickelten Programm würde man für eine millionenfach höhere Zahl nur ein Millionstel der Zeit benötigen. Ob sich ein Quantencomputer aber wirklich so bald entwickeln lässt, wird von den Experten noch sehr kontrovers diskutiert.