Google stellt Quantenchip "Willow" vor: Das macht ihn so besonders

Googles "Willow"

Läutet dieser Superchip ein neues Zeitalter ein? Das sollten Sie wissen

Googles Chip "Willow" gilt unter Experten als wegweisend in der Entwicklung der Quantencomputer. Was Sie über den Chip und die Technologie dahinter wissen sollten.

Im Wettlauf um die Erfindung industriell einsetzbarer Quantencomputer hat Google einen wichtigen Schritt gemacht. Das Unternehmen hat vor wenigen Wochen seinen "Willow"-Chip vorgestellt, der zwei entscheidende Verbesserungen bringt, wie Google mitteilt.

Zum einen sei die Fehlerkorrektur der Qubits genannten Recheneinheiten so weit verringert worden, dass zum ersten Mal ein kritischer Schwellenwert unterschritten wurde. Zum anderen soll der Chip eine Rechenaufgabe in fünf Minuten gelöst haben, für die der weltweit leistungsfähigste Supercomputer zehn Quadrillionen Jahre benötigen würde, wie Google mitteilt. Das ist eine Eins mit 25 Nullen.

Trotz aller Euphorie: Von einem fehlerfrei laufenden Quantencomputer ist Google nach eigenen Angaben noch weit entfernt. Hier sind spannende Fakten über Googles Quantenchip "Willow" und die Technologie dahinter.

Wie funktionieren Quantencomputer?

An einer nachvollziehbaren Erklärung, wie genau Quantencomputer arbeiten, scheitern selbst Experten. Nobelpreisträger Richard Feynman, einer der wichtigsten Physiker des 20. Jahrhunderts, ist bekannt für den Satz: "Wenn du glaubst, Quantenmechanik zu verstehen, dann verstehst du Quantenmechanik nicht."

Das Besondere an Quantencomputern ist, dass sie nicht den klassischen Naturgesetzen folgen. In einem klassischen Computer kann die kleinste Informationseinheit, Bit, entweder den Zustand "An" oder "Aus" oder besser gesagt "1" oder "0" annehmen. Ein Quantum-Bit oder Qubit kann hingegen auch einen Zustand annehmen, bei dem beide Werte zutreffen – eine sogenannte Superposition.

Was ist der Unterschied zwischen Bits und Qubits?

Ein Qubit hat gewissermaßen gleichzeitig den Wert "1" und "0". Verkoppelt man mehrere dieser Qubits miteinander, wächst der Raum der gleichzeitig erkundbaren möglichen Lösungen exponentiell. Wenn 333 Qubits miteinander verbunden werden, komme man auf eine Zahl von 1,7*10.100 Berechnungszuständen, die in diese Superpositionen versetzt werden könnten, rechnete Google-Chef Sundar Pichai vor wenigen Jahren in einem Blogeintrag vor. Eine Eins mit 100 Nullen, diese Zahl heißt im Englischen auch "Googol", sie ist Namenspate für die Suchmaschine.

Was macht "Willow" so besonders?

Googles Forschern gelang es mit "Willow" erstmals, ein entscheidendes Problem von Quantencomputern anzugehen: die Fehleranfälligkeit. Denn Quantencomputer sollen zwar mathematische Probleme sehr viel schneller lösen können als bisherige Computer, beispielsweise beim Verschlüsseln von Daten oder beim maschinellen Lernen für Anwendungen Künstlicher Intelligenz. Die bereits entwickelten Systeme machten bislang aber zu viele Fehler.

Problematisch dabei war, dass mit zusätzlichen Recheneinheiten ("Qubits") die Fehlerquote exponentiell steigt. Das will Google mit "Willow" gelöst haben, indem es mehrere fehleranfällige physikalische Qubits zu einem weniger fehleranfälligen logischen Qubit zusammengefügt habe.

Mit der verwendeten Methode und dem neuen Chip seien nun skalierbare, fehlerkorrigierte Quantencomputer möglich. Allerdings: Die erzielte Fehlerrate sei zwar unter einem kritischen Schwellenwert, reiche aber weiterhin nicht für einen anwendbaren Quantencomputer aus, betont Google.

Wird ein Quantencomputer einen Laptop oder PC ersetzen können?

Nein, zumindest nicht in absehbarer Zukunft. Quantencomputer sind nicht dazu geeignet, alltägliche Aufgaben wie das Schreiben von E-Mails, das Surfen im Internet oder das Bearbeiten von Textdokumenten zu übernehmen.

Quantencomputer sind für spezifische und komplexe Berechnungen gedacht, wie die Simulation von Molekülen, das Lösen schwerer mathematischer Probleme oder die Materialforschung. Unter anderem könnten Quantencomputer dabei helfen, Batterien für E-Autos zu verbessern und höhere Reichweiten der Fahrzeuge zu ermöglichen.

Wie viel Energie verbrauchen Quantencomputer?

Quantenrechner haben das Potenzial, nachhaltiger zu sein als klassische Supercomputer. Momentan sind die Quantenrechner aber energieintensiv, da sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius gekühlt werden müssen.

Außerdem sind die Herstellung und die Wartung der speziellen Hardware für Quantencomputer komplex und energieintensiv. Derzeitige Quantencomputer wie "Willow" arbeiten mit wenigen Qubits. Das Ziel ist es, diese Anzahl zu steigern, was auch mehr Energie benötigt.

Forscher arbeiten derzeit an Lösungen, um Quantencomputer deutlich energieeffizienter als bislang zu machen. Dafür werden die Rechner unter anderem mit auf Effizienz getrimmten Superrechnern zu hybriden Systemen gekoppelt, wie zum Beispiel das Forschungszentrum Jülich auf seiner Seite schreibt.

Auch Unternehmen wie der französische Stromversorger EDF, die Quantencomputerfirmen Quandela, Alice & Bob und das französische Nationale Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) arbeiten daran, den Energieverbrauch von Quantenrechnern zu verringern.

Welche Gefahr geht von Quantencomputern aus?

Quantencomputer bieten langfristig zahlreiche Vorteile, bergen aber auch Risiken. Die größten Gefahren entstehen dadurch, dass sie irgendwann Aufgaben exponentiell schneller lösen können als klassische Computer, was Sicherheitsexperten seit Jahren dazu veranlasst, vor der Technologie zu warnen.

US-Forscher haben jetzt schon eine Methode entwickelt, die das quantengestützte Knacken der gängigen RSA-Verschlüsselung schneller und effizienter macht. Statt Millionen von Qubits reichen deutlich kleinere, weniger perfekte Quantencomputer, wie das IT-Magazin "Sciencexx" im vergangenen Jahr berichtete.

Quantencomputer könnten auch bei der Entwicklung von Waffen oder Verteidigungssystemen genutzt werden. Staaten könnten mit den leistungsfähigen Rechnern die verschlüsselte Kommunikation anderer Länder entschlüsseln und so geopolitische Konflikte verschärfen. Auch Kryptowährungen wie dem Bitcoin könnten Quantencomputer gefährlich werden.

Wann sind Quantencomputer professionell einsetzbar?

Bis dahin ist es noch ein langer Weg. Google selbst gibt zwar an, mit "Willow" einen wichtigen Weg zu einem leistungsfähigen und fehlerfrei arbeitenden Quantenchip gemacht zu haben. Laut einem Zeitplan des Unternehmens sei damit aber nicht mal Schritt 3 von 6 erreicht worden.

Auch Michael Hartmann, Professor für Theoretische Physik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, dämpft die Erwartungen. "Mit der derzeitigen Qualität von Qubits wird man 100.000 bis eine Million Qubits benötigen, um große, fehlertolerante Rechnungen durchführen zu können, die für klassische Supercomputer jenseits des Möglichen sind", schreibt er im Science Media Center (SMC).

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Zum Vergleich: Googles "Willow" besitzt laut des Konzers gerade mal 105 Qubits. "Damit wird ersichtlich, wie weit der Weg noch ist", so Hartmann.