Erster kommerzieller Quantencomputer am Markt

Der erstmals öffentlich vorgestellte "Orion"-Rechner kann zur Zeit nur angemietet werden, kaufen kann man ihn noch nicht. Der Computer löste ein außerordentlich komplexes Problem mit dem Namen "NP-Complete" (NP steht für Nondeterministic Polynomial): Er braucht dafür nur wenige Rechenschritte, verglichen mit abertausenden Schritten, die konventionelle Supercomputer dafür benötigen.

Der NP-Rechenprozess gilt als "Heiliger Gral des Computings", weil mit jeder neuen Variablen die erforderliche Rechenarbeit auf mehr als das Doppelte ansteigt. Und jeder einzelne Lösungsweg muss komplett durchgerechnet werden und mit den anderen Lösungen verglichen, um ein optimales Ergebnis zu finden. Das ist einer der Gründe, warum heutige Rechner fast nie ein vollständiges und optimales Resultat in solchen Fällen erreichen. Die meisten Computer weichen dann auf Simulationen aus, um sich nicht in endlosen Berechnungen zu verzetteln. Nur die ganz großen "Number Cruncher" wie der am Lawrence Livermore National Laboratory können da mit einem Quantencomputer mithalten.

Mit Quanten arbeiten

Ein Quantencomputer kann alle denkbaren Lösungswege bei komplexen Probleme gleichzeitig evaluieren und aus den tatsächlichen Berechnungen eine optimale Lösung extrahieren. Das braucht meistens nur einige Rechenzyklen. Solch komplexe Probleme finden sich zumeist in der Quantenphysik selbst oder in der Bioinformatik.

So lässt sich die berühmte Schrödinger-Gleichung aus dem Jahr 1926 (sie beschreibt Bewegungsabläufe in der Quantenmechanik) bisher nur für Atommodelle mit maximal 30 Elektronen berechnen. Mit jedem zusätzlichen Elektron verdoppelt sich der Rechenaufwand. Ein Koffein-Molekül mit seinen 100 Elektronen zu analysieren erfordert einen Rechenaufwand, der das 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000-fache gegenüber der 30-Elektronen-Variante bedeutet. Da müssen selbst die größten heute bekannten Supercomputer passen.

Was für die klassischen Computer das Bit als kleinste Arbeitseinheit ist - in der Praxis also "0" und "1" - ist für den Quantencomputer das Quantenbit (Qubit). Das Qubit ist ein physikalisches System, das sich in zwei Zuständen (z.B. verschiedener Polarisation, die auch wieder als "0" und "1" interpretiert werden kann) befindet. Anders als bei normalen Computern können sich diese beiden Zustände aber auch überlagern. Und an dieser Stelle setzt der Quantencomputer an: Er arbeitet nämlich gleichzeitig mit den überlagerten Daten und muss nicht auf eine serielle Abarbeitung riesiger Bitabfolgen zurückgreifen.

Zwei Algorithmen haben in der Vergangenheit dabei geholfen, Datenverarbeitung auf Quantencomputern zu ermöglichen: Die Zerlegung großer Zahlen in ihre Primfaktoren (durch den Mathematiker Bruce Shor) und die gezielte Selektion von Datenelementen mit ganz bestimmten Eigenschaften aus riesigen Datenmengen (durch Lov Grover bei den Bell Laboratories). Während der erste Algorithmus die Primzahlzerlegung beschleunigt (was für die Quantenkryptografie von großer Bedeutung ist), macht der zweite Algorithmus die Suche nach bestimmten Informationskriterien schneller: Man muss nicht alle gespeicherten Informationen in Folge abfragen, sondern kann dies mit den überlagerten Qubits gleichzeitig bearbeiten.