Wie Quantencomputer unser Verständnis von Wirklichkeit, Information und Vertrauen verändern
Quantencomputer gelten als eine der vielversprechendsten Technologien unserer Zeit. Doch um zu verstehen, was sie so besonders macht, müssen wir zunächst einen Blick auf die Physik dahinter werfen: die Quantenmechanik. Was beschreibt sie eigentlich? Welche Interpretationen von Realität ergeben sich aus ihr? Wie entstand daraus die Idee eines Quantencomputers? Und: Haben Quantencomputer eine Zukunft?
Begib dich mit mir auf eine Reise, die nicht in einem Rechenzentrum beginnt, sondern mit einer bis heute diskutierten Theorie. In dieser zweiteiligen Blogserie starten wir mit der Entdeckung der Quantenmechanik (Teil 1) und schliessen mit den praktischen Konsequenzen, die sich durch die Technologie ergeben (Teil 2; erscheint demnächst).
Die Mathematik der Wirklichkeit: Teil 1
Was wäre, wenn du heute Abend eine Entscheidung triffst, und gleichzeitig auch die gegenteilige? Nicht als Gedankenexperiment. Nicht als Metapher. Sondern weil beide Entscheidungen tatsächlich stattfinden.
Wie real ist unsere Wirklichkeit?
Können also zwei Ereignisse gleichzeitig stattfinden? Für manche Physikerinnen und Physiker ist genau das eine ernsthaft diskutierte Möglichkeit. Andere sind überzeugt, dass die Wirklichkeit erst in dem Moment einen eindeutigen Zustand annimmt, in dem wir sie beobachten. Wieder andere glauben, dass jede Entscheidung bereits seit dem Urknall feststeht, inklusive der Tatsache, dass du heute diesen Artikel liest!
Und damit endet die Geschichte nicht. Manche Ansätze verstehen Information selbst als Fundament der Wirklichkeit. Sie sehen Raum und Zeit nicht als grundlegend, sondern als etwas, das aus tieferen mathematischen Strukturen hervorgeht. Welche dieser Vorstellungen der Wirklichkeit tatsächlich am nächsten kommt, ist bis heute eine offene Frage. Das Erstaunliche an diesen verschiedenen Interpretationen von Realität: Sie versuchen dieselben Experimente zu erklären, was das Weltbild der klassischen Physik für immer erschütterte.
Quantenmechanik auf den Punkt gebrachtSchon der Name gibt einen Hinweis: «Quanten» stehen vereinfacht für diskrete Einheiten physikalischer Grössen, «Mechanik» für die Gesetze, nach denen sich physikalische Systeme verhalten und entwickeln. Die Quantenmechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das die Natur auf kleinsten Skalen beschreibt. Materie um uns herum besteht aus Atomen mit Elektronen und einem Atomkern. Der Kern enthält Protonen und Neutronen, die wiederum aus Quarks* aufgebaut sind. Licht hingegen besteht nicht aus Atomen, sondern lässt sich quantenmechanisch durch Photonen beschreiben. In dieser Quantenwelt treten Phänomene wie Überlagerung, Verschränkung und Interferenz auf. Genau jene Eigenschaften, die sich Quantencomputer zunutze machen. *Ab in den Kaninchenbau – eine Ebene tiefer: Wenn wir noch fundamentaler fragen, was diese «Teilchen» eigentlich sind, führt die Reise weiter zur Quantenfeldtheorie (QFT). Sie verbindet die Prinzipien der Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie und beschreibt Teilchen wie Elektronen, Quarks und Photonen als Anregungen zugrunde liegender Quantenfelder. Ob diese Felder selbst die fundamentalste Ebene der Wirklichkeit darstellen, ist bis heute offen. |
Schon der Name gibt einen Hinweis: «Quanten» stehen vereinfacht für diskrete Einheiten physikalischer Grössen, «Mechanik» für die Gesetze, nach denen sich physikalische Systeme verhalten und entwickeln. Die Quantenmechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das die Natur auf kleinsten Skalen beschreibt. Materie um uns herum besteht aus Atomen mit Elektronen und einem Atomkern. Der Kern enthält Protonen und Neutronen, die wiederum aus Quarks* aufgebaut sind. Licht hingegen besteht nicht aus Atomen, sondern lässt sich quantenmechanisch durch Photonen beschreiben.
In dieser Quantenwelt treten Phänomene wie Überlagerung, Verschränkung und Interferenz auf. Genau jene Eigenschaften, die sich Quantencomputer zunutze machen.
*Ab in den Kaninchenbau – eine Ebene tiefer: Wenn wir noch fundamentaler fragen, was diese «Teilchen» eigentlich sind, führt die Reise weiter zur Quantenfeldtheorie (QFT). Sie verbindet die Prinzipien der Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie und beschreibt Teilchen wie Elektronen, Quarks und Photonen als Anregungen zugrunde liegender Quantenfelder. Ob diese Felder selbst die fundamentalste Ebene der Wirklichkeit darstellen, ist bis heute offen.
Als Newton nicht mehr genügte: das Doppelspaltexperiment
Über zweihundert Jahre lang schien die Welt berechenbar. Sie folgte einem einfachen Prinzip: Jede Ursache hat eine Wirkung. Kennt man die Naturgesetze und den Zustand eines Systems, kann man seine Zukunft berechnen. Dieses Weltbild prägte die Physik seit Sir Isaac Newton.
Dann zeigte das Doppelspaltexperiment Unerwartetes. Licht verhielt sich manchmal wie eine Welle. Manchmal wie ein Teilchen. Elektronen erschienen dort, wo sie nach klassischer Physik gar nicht hätten sein dürfen. Je genauer man hinsah, desto deutlicher wurde: Die Natur folgt auf ihrer kleinsten Ebene anderen Regeln als unserer Alltagserfahrung.
Aus diesen Beobachtungen heraus entstand die Quantenmechanik und entwickelte sich zur bis anhin wohl erfolgreichste Theorie der modernen Physik. Denn ohne sie gäbe es heute keine Transistoren, keine Laser, keine Magnetresonanztomographie, keine Atomuhren und damit weder modernes GPS noch Smartphones. Die Quantenmechanik begleitet uns also längst im Alltag. Der Quantencomputer ist somit nicht der Beginn der Quantentechnologie, sondern ihr nächstes Kapitel.
Wie aus einer Theorie ein Computer wurde
Wenn die Natur selbst quantenmechanisch funktioniert, warum simulieren wir sie mit klassischen Computern?
Diese Frage stellte sich Richard Feynman und motivierte so die Entwicklung des Quantencomputers. Daraus folgte die Entwicklung des ersten theoretischen Modells eines universellen Quantencomputers durch David Deutsch, seitdem auch bekannt als «Vater des Quantencomputers». Ein Quantencomputer nutzt dabei Eigenschaften aus der Quantenmechanik, insbesondere Überlagerung, Verschränkung und Interferenz. So bearbeitet er bestimmte Probleme auf eine grundsätzlich andere Weise als klassische Rechner. Der Unterschied lässt sich gut am Beispiel eines Orchesters erklären:
Ein klassischer Computer hört jedes Instrument einzeln an. Er analysiert Violine, Trompete, Schlagzeug und Flöte nacheinander. Ein Quantencomputer hört das gesamte Orchester gleichzeitig. Dabei lohnt sich ein genauerer Blick auf die drei Eigenschaften.
- Überlagerung lässt sich vorstellen, als würden die Musiker zunächst mehrere mögliche musikalische Verläufe gleichzeitig bereithalten. Solange das Stück noch nicht zu Ende gespielt ist, steht die endgültige Melodie noch nicht fest.
- Verschränkung bedeutet, dass sich einzelne Musiker nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben lassen. Erst durch ihr Zusammenspiel ergibt sich das vollständige Musikstück. Die Information steckt nicht mehr allein in der Violine oder der Trompete, sondern in ihrer gemeinsamen Harmonie.
- Nun geschieht etwas Interessantes. Einige Töne verstärken sich. Andere löschen sich gegenseitig aus. Am Ende tritt die eigentliche Melodie immer deutlicher hervor. Diese Idee bezeichnet die Quantenmechanik als Interferenz.
Ein Quantenalgorithmus versucht deshalb nicht, möglichst viele Möglichkeiten auszuprobieren. Er nutzt die Gesetze der Quantenmechanik, damit sich vielversprechende Lösungswege verstärken, während andere zunehmend in den Hintergrund treten. Der grösste Irrtum über Quantencomputer besteht darin, sie für die Nachfolger heutiger Rechner zu halten. Das werden sie auf absehbare Zeit nicht sein. Für die meisten Anwendungen wird der klassische Rechner weiterhin dominieren. Aber für einige wenige Problemklassen könnte der Quantencomputer einen entscheidenden Vorteil bieten.
Hype oder Hoffnung: Warum die Welt Milliarden investiert
Wenn der klassische Computer auch künftig für die meisten Anwendungen, vom Verfassen von E-Mails über Tabellenkalkulationen bis hin zum Streaming von Filmen, die erste Wahl bleibt: Warum investieren Unternehmen und Staaten weltweit Milliarden in Quantencomputer?
Der Grund liegt darin, dass einige der schwierigsten wissenschaftlichen und industriellen Herausforderungen genau zu jener Kategorie gehören, bei der Quantencomputer einen entscheidenden Vorteil versprechen. Dazu zählen unter anderem die Entwicklung neuer Medikamente, die Simulation komplexer Moleküle und Materialien, die Optimierung von Verkehrs-, Logistik- und Energienetzen sowie Lieferketten, anspruchsvolle Fragestellungen im Finanzwesen und ausgewählte Anwendungen der künstlichen Intelligenz. Ob sich all diese Hoffnungen erfüllen werden, wird die Zukunft zeigen.
Neben dieser beeindruckenden Chancenlandschaft gibt es jedoch auch eine Kehrseite. Die Quantenmechanik hat unser Verständnis der Wirklichkeit verändert. Was wäre, wenn diese Theorie auch unser Verständnis von digitalem Vertrauen verändert? Lies im zweiten Teil dieser Blogserie (erscheint demnächst im digicomp-Blog) mehr zu den Herausforderungen, die die auf der Quantenmechanik basierte Technologie mit sich bringt.