Google und Nasa sind auf den ersten Blick verschieden. Der Internetkonzern leuchtet mit seinen Algorithmen und Google-Earth-Programmen die kleinsten Winkel der Erde aus. Und die Weltraumbehörde durchforstet mit ihren Satelliten und Sonden weit entlegene Galaxien des Universums. Doch sie ergänzen einander perfekt; Google und Nasa beteiligen sich an einem bahnbrechenden Projekt. Mit einem Quantencomputer sollen Rechenleistungen um ein Vielfaches beschleunigt werden – und bisher unmögliche Operationen möglich werden.

Auch die NSA hat Interesse

Nach Informationen der Washington Post soll auch die NSA an einem Quantencomputer arbeiten. Dass der US-Geheimdienst ein Interesse an Quantentechnik hat, ist nicht neu. Die NSA finanziert seit Jahren das Joint Quantum Institute, das an die University of Maryland angegliedert ist. NSA-Chef Keith Alexander prophezeite, dass die Quantentechnik die nachrichtendienstliche Überwachung in ein neues Zeitalter katapultieren werde.

Schon 1985 hatte der israelisch-britische Physiker David Deutsch die Idee, einen Quantencomputer zu bauen. Das Außergewöhnliche an so einer Maschine ist, dass sie nicht wie jeder normale PC den Gesetzen der einfachen Physik gehorcht, sondern der Logik der Quantenphysik folgt. Auf Grundlage der Quantenmechanik können spezielle Aufgaben schneller gelöst werden als mit herkömmlichen Rechnern.

Ein handelsüblicher Computer speichert Informationen in Transistoren. Jedes „Teilchen“ besitzt einen Wert von 0 oder 1. Ein Quantencomputer transzendiert diese binäre Logik, indem er Informationen in sogenannten Qubits (Quantenbits) speichert – das sind Arrangements von Ionen oder Atomen, die mit Lasern und elektrischen Feldern im Hochvakuum gefangen und gezielt verändert werden.

Der Trick am Quantensystem ist, dass die Information in verschiedenen Stadien zur selben Zeit existiert. Man nennt diese Überlagerung von Teilchen auch Superposition. Wie eine zitternde Kompassnadel kann die Drehung eines Atomkerns nach oben und unten zeigen und somit eine 1 oder 0 annehmen. Quantenbits können also gleichzeitig eine 1 und 0 darstellen. Das beschleunigt die Berechnungszeit exponentiell.

Soweit die Theorie. In der Praxis ist der Bau eines Quantencomputers eine hochdiffizile Angelegenheit. Die Quantenbits müssen vollständig von der Außenwelt isoliert werden. Eine Interaktion genügt, und das Teilchen fällt in einen ursprünglichen Zustand zurück – das heißt, es wird zu einem gewöhnlichen Bit. Der Effekt wäre verpufft. Die Herausforderung besteht darin, eine Menge von Qubits zu verschränken, ohne dass sie zusammenbrechen.

Bei der kanadischen Technikfirma D-Wave glaubt man nun, die Lösung gefunden zu haben. Sie hat einen Quantencomputer entwickelt, der 3 600 Mal schneller als ein herkömmlicher Computer sein soll. Nicht wenige sehen damit eine neue Zeitrechnung angebrochen.

Google und die Nasa haben das D-Wave-2 für 15 Millionen US-Dollar gekauft. Das Gerät besitzt einen 512-Qubit-Prozessor. Die Wundermaschine, ein schwarzer Kubus, der wie die Kaaba in Mekka anmutet, wird in einem futuristischen Nasa-Labor in Kalifornien installiert. Der Kasten wird auf minus 273 Grad Celsius heruntergekühlt und schirmt den Chip vor Umwelteinflüssen ab. So soll verhindert werden, dass die Teilchen in ihre ursprüngliche Position zurückfallen.

Raumschiff ohne Besatzung

In einem Imagefilm flirren Schlagwörter vorbei. Freier Wille, Bewusstsein, Schwarze Löcher, künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, Schwerkraft. Es gehe um „The Whole Thing“, um das große Ganze. Der Supercomputer will die Fragen der Menschheit beantworten. Sind wir allein im Universum? Wie denken wir? Wer sind wir? „In Zukunft wird die Software mit diesen Techniken geschrieben“, sagt Geordie Rose, Gründer und Chefentwickler von D-Wave. „Spracherkennung und Synthese, Erkennung von Strukturen aus genetischen Daten für die Erforschung von Medikamenten – es gibt eine lange Liste von Dingen, die Menschen derzeit besser können als Maschinen. Doch diese neue Art von Ansätzen beginnt über uns hereinzufallen und wird letztlich menschliche Fähigkeiten übernehmen.“

Die Maschine wird zum Menschen. Der Supercomputer soll nicht nur Antworten liefern, sondern auch Fragen stellen. Die D-Wave-Maschine wurde kürzlich einem Test unterzogen. In einem Experiment sollte der Computer eine Lösung auf die sogenannte Ramsey-Theorie finden. Ein Teilelement ist das berühmte „Party-Problem“: Wie viele Leute muss man zu einer Feier einladen, damit sich mindestens drei Gäste entweder bereits kennen oder sich fremd sind? Die Lösung des Problems ist in diesem Falle einfach – es wären sechs Gäste. Doch je größer die Zahl ist, desto komplexer werden Rechnung und Lösung. Die meisten Ramsey-Zahlen liegen außerhalb jeder Rechenleistung, jedenfalls mit herkömmlichen Computern.

Das Gerät von D-Wave war in der Lage, einen Algorithmus anzuwenden, der eine Reihe von Ramsey-Zahlen in verschiedenen Konstellationen berechnen konnte (allerdings keine, die bislang nicht bekannt waren). Die Ergebnisse waren allesamt korrekt. Mit einem 2 048-Qubits-Computer, der 2015 vorgestellt werden soll, könnten auch Zahlen ermittelt werden, von deren Existenz man heute noch gar nichts weiß.

Dennoch gibt es Zweifel an der Rechenleistung. Der Physiker Matthias Troyer von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich schrieb einen Algorithmus, mit dem er einen konventionellen Computer „adiabatisch“ – auf eine spezielle Art, physikalische Probleme zu lösen – rechnen ließ und dabei 15 Mal schneller war als der Quantencomputer von D-Wave. Einige Forscher bezweifeln, dass der Chip wirklich die Qualität eines Quantencomputers besitzt. Die wohl entscheidende Frage ist, ob die stromleitenden Schlaufen auf dem Chip während der Rechenprozesse tatsächlich miteinander verschränkt sind. Eine solche Kohärenz würde bedeuten, dass die Teilchen im Stadium der Superposition verharren – was naturgemäß sehr schwierig ist. Schon kleinste, wellenproduzierende Geräusche könntee die Quantenmechanik zum Einsturz bringen.

Die Nasa und Google setzen dennoch große Hoffnungen in den Chip. Würde man die künstliche Intelligenz soweit vorantreiben, dass ein Computer mehrere Szenarien gleichzeitig berechnet, könnte etwa ein Spaceshuttle so programmiert werden, dass es Aufgaben eines Astronauten übernimmt. Bislang kann nur ein Mensch aufgrund seiner Intelligenz Entscheidungen auf Grundlage verschiedener Variablen treffen. Diese Fähigkeit unterscheidet den Menschen von der Maschine. Die Frage ist, wie lange noch. Stellen wir uns vor, dass ein Raumschiff ohne Besatzung aus dem Weltall Daten sammelt, und ein lernfähiger Algorithmus Dateien aus großen Datenbanken fischt – die Welt wäre vermutlich eine andere.