Was in aller Welt ist „Quanten-Vorherrschaft“?

In den letzten Monaten des Jahres 2019 verkündeten die Schlagzeilen, dass der Internetriese Google die Quanten-Vorherrschaft erlangt habe – was viele dazu veranlasste, sich am Kopf zu kratzen und zu fragen: „Was in aller Welt ist Quanten-Vorherrschaft?“

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir einen der grundlegendsten und verblüffendsten Aspekte der Schöpfung Gottes erforschen: die Welt der Quantenmechanik.

Von Zebras und Pixeln

Betrachten wir das quantenmechanische Konzept der Überlagerung, um einen Eindruck davon zu bekommen, wie dieses seltsame Gebiet der Physik zur Revolutionierung des Rechnens genutzt wird.  Es ist eine merkwürdige Eigenschaft der Materie, und eine ungewöhnliche Illustration kann uns helfen, sie besser zu verstehen.

Stellen Sie sich vor, Sie machen ein Foto von einem Zebra und betrachten das Bild auf Ihrem Computer.  Beim Vergrößern sieht man die einzelnen Pixel des Bildes.  Wo die schwarzen Streifen des Zebras auf die weißen Streifen treffen, werden Sie feststellen, dass einige der Pixel grau sind – einige dunkler, andere heller, aber definitiv nicht zu 100 Prozent schwarz oder weiß.

In diesen Fällen stellen die Pixel eine Art Überlagerung dar: eine Mischung aus schwarz und weiß.  Das einzelne Pixel ist gezwungen, eine Überlagerung mehrerer Zustände darzustellen – nicht nur schwarze Streifen und nicht nur weiße.  Beide Zustände werden in einem einzelnen Pixel dargestellt, basierend auf der prozentualen Mischung aus schwarzen und weißen Zebra-Haaren in dem kleinen Bruchteil eines Bildes, welches das jeweilige Pixel darstellt.

In einer (sehr) ungenauen, aber entsprechenden Weise sind subatomare Objekte, die wir oft als diskrete „Partikel“ betrachten, gemäß der Quantenmechanik überhaupt keine Partikel, sondern existieren in mehreren Zuständen gleichzeitig.  Wie die graue Farbe des Pixels eine Kombination aus bestimmten Prozentsätzen von schwarz und weiß darstellt, ist der Zustand eines subatomaren Partikels „verschwommen“ und unklar, definiert durch eine Kombination aller verschiedenen Zustände, die es haben könnte, basierend auf ihren individuellen Ereigniswahrscheinlichkeiten.

Die Vorstellung, dass Partikel nicht immer klar definierte Objekte mit bestimmten Orten und Zuständen sind, sondern stattdessen an unbestimmten Orten und in unbestimmten Zuständen existieren können – und nur wahrscheinlich hier oder dort existieren – ist unbestreitbar seltsam.  Doch der Wert dieser Quantentheorie hat sich immer wieder bewährt und bildet die Grundlage für einen Großteil unserer modernen Technologie.  Sie hat uns sogar ein tieferes Verständnis von Prozessen eröffnet, die so bodenständig wie die Photosynthese, und so kosmisch wie das Schicksal massereicher schwarzer Löcher sind.

Aber was kann sie für die Rechenleistung von Computern tun?

Einsen und Nullen bekommen ein Upgrade

Seit den frühen 1900er Jahren war die Grundlage des Rechnens binär - die Darstellung von Informationen als Ansammlung von Einsen und Nullen.  Die Verwendung von 1 für „wahr“ oder „ein“, und 0 für „falsch“ oder „aus“ ist die binäre Arithmetik, die für die gesamte Computerprogrammierung grundlegend ist, von den Apps auf Ihrem Smartphone bis zu den Lebenserhaltungssystemen auf der ISS – der Internationalen Raumstation.

Diese grundlegende Informationseinheit – ein oder aus, wahr oder falsch, 1 oder 0 – wurde als „Bit“ bezeichnet, ein Wort, das aus der Kombination von „binär“ und dem englischen „digit“ für „Ziffer“ abgeleitet wurde.  Und wenn Bits, die jeweils für sich genommen nur 1 oder 0 entsprechen, zu immer größeren Gruppen zusammengefasst werden, werden sie zu Bytes, Megabytes und Gigabytes, die immer größere Informationsmengen repräsentieren.  Wenn Ihr Computer beispielsweise 500 Gigabyte an Informationen speichern kann, bedeutet dies, dass er über eine elektronische Architektur verfügt, die 4.000.000.000.000 Bits speichern kann – vier Billionen Einsen und Nullen.  Alles auf diesem Computer wird als Gruppe dieser Einsen und Nullen gespeichert.

Die Einfachheit des Bits hat sich als phänomenales Werkzeug erwiesen, das die Existenz unserer komplexen digitalen Welt ermöglicht hat.  Sie war jedoch auch einschränkend, und die Anwendung der Quantenmechanik verspricht eine wesentliche Verbesserung.  Wenn ein Schalter, der nur „ein“ oder „aus“ sein kann, nützlich ist, wie ist es dann erst, wenn er eine Mischung aus beiden sein könnte?

Hier kommt das Qubit ins Spiel.  Wenn ein Bit wie ein Pixel ist, das nur auf schwarz oder weiß beschränkt ist, ist ein Qubit wie ein Pixel, das beide Möglichkeiten gleichzeitig bietet, als Grauton beliebiger Abstufung.

Während das Bit eines klassischen Computers auf einen Wert von 1 oder 0 begrenzt ist, kann das Qubit eines Quantencomputers in einem unbestimmten Zustand existieren, der eine Art Kombination von 1 und 0 darstellt – eine Überlagerung mehrerer Bedingungen auf der Grundlage von Wahrscheinlichkeitsgesetzen der Quantenmechanik.  Daher bringen Qubits weitaus mehr Problemlösungspotential in eine Berechnung, als Bits.  Wie viel mehr?

Dies wurde durch die Ergebnisse veranschaulicht, die am 23. Oktober 2019 in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden. Google wies seinen Quantencomputer mit dem Namen „Sycamore“ ein Problem zu, das er in etwa 200 Sekunden löste.  Die Zeitschrift Nature schätzte, dass dieselbe Berechnung die kombinierte Rechenleistung von 100.000 „normalen“ Computern für bis zu 10.000 Jahre brauchen würde.

„Quanten-Vorherrschaft“ ist der Meilenstein, den wir überschritten haben, wenn ein Quantencomputer ein Ergebnis erzielt, das für klassische Computer praktisch unmöglich ist.  Das Lösen eines Problems mit einem einzelnen Prozessor in weniger als dreieinhalb Minuten, dessen Lösung 100.000 Computer länger als die Geschichte der Zivilisation selbst in Anspruch nehmen würde, ist mit Sicherheit ein Meilenstein!

Der Computerriese IBM hat die Behauptung bestritten und geschätzt, dass sein eigener, klassisch gestalteter Supercomputer dasselbe Ergebnis in zweieinhalb Tagen erzielen könnte.  Doch selbst wenn IBM richtig liegt, kann niemand leugnen, dass Sycamores Leistung von Bedeutung ist.  IBM‘s Supercomputer mit dem Spitznamen „Summit“ nimmt den Raum von zwei Tennisplätzen ein und ist derzeit der schnellste Nicht-Quanten-Computer der Welt.  Wenn Sycamore, der in einen Schrank passen könnte, in 200 Sekunden erreicht, was Summit länger als zwei Tage in Anspruch nehmen würde, sind wir wirklich am Rande von etwas Revolutionärem.

Und Sycamore ist für die Quantencomputer-Wissenschaftler nur ein simpler Anfang.  Wenn sie noch nicht erreicht ist, so ist die Quanten-Vorherrschaft zumindest greifbar.

Was ist die mögliche Auswirkung?

Das Potenzial von Quantencomputern, die Welt zu verändern, wird deutlich, wenn wir uns überlegen, wie wichtig der Umgang mit Daten in unserem Leben geworden ist.  Der dramatische Sprung in der Rechenleistung von Quantencomputern birgt das Potenzial, neue Baumaterialien und Medikamente zu entwickeln oder den Fortschritt der künstlichen Intelligenz zu beschleunigen.  Wir können Fortschritte sehen, die wir uns jetzt nicht einmal vorstellen können.

Einige theoretisieren, dass das Universum selbst als riesiger Quantencomputer fungiert und die Aktivität seiner unzähligen Teilchen und Kräfte von einem Ende der Realität zum anderen „verarbeitet“.  Wenn dies der Fall ist, können sich neue Erkenntnisse über Physik, Chemie und Biologie – und sogar die Architektur des Gehirns selbst – ergeben, wenn Computer beginnen, die Berechnungen der Natur direkter nachzuahmen.

Die Menschheit hat sich jedoch nicht als der beste Verwalter dieses Wissens erwiesen.  Auf unserem Weg, mehr darüber zu lernen, wie die bemerkenswerte Schöpfung Gottes funktioniert, stoßen wir unweigerlich auf verschiedene Scheidewege, wie wir das, was wir lernen, nutzen wollen.  Durch das Verständnis des göttlichen Aufbaus von Materie und Energie konnten wir die Kraft des Atoms nutzen – sowohl um unsere Städte mit Strom zu versorgen, als auch um sie zu zerstören.

Das Verständnis der merkwürdigen, der Intuition widersprechenden Welt der Quantenmechanik wird uns an einen ähnlichen Scheideweg bringen.  Welche Entscheidungen werden wir treffen, wenn uns die Fähigkeiten von Quanten-Computern völlig zur Verfügung stehen, um sie nach Belieben zu nutzen?  Werden wir den Charakter haben, das, was wir aus diesem Aspekt der Schöpfung Gottes lernen, richtig anzuwenden?

Der Erfolg von Sycamore hat uns darauf aufmerksam gemacht, dass wir es bald herausfinden werden.