Die Quantencomputerabteilung von Google hat berichtet, dass ihr Willow-Prozessor einen Rechenmeilenstein erreicht hat, für dessen Replikation klassische Supercomputer etwa 10.000 Jahre benötigen würden – und zwar in weniger als vier Minuten. Das Ergebnis, veröffentlicht inNaturstellt einen erheblichen Fortschritt gegenüber Googles Demonstration der Quantenüberlegenheit im Jahr 2019 dar und demonstriert, was noch wichtiger ist, eine Eigenschaft, die Forscher seit zwei Jahrzehnten verfolgen: Fehlerkorrektur, die sich mit der Skalierung des Systems verbessert.

Die Ankündigung hatte den Eindruck echter wissenschaftlicher Bedeutung. Im Gegensatz zum Ergebnis von 2019 – das sofort von IBM angefochten wurde, das argumentierte, dass ihre klassischen Supercomputer das gleiche Problem in wenigen Tagen lösen könnten – wurde das Willow-Ergebnis unabhängig geprüft und der Vorsprung ist um Größenordnungen größer. Die Reaktion der wissenschaftlichen Gemeinschaft fiel dieses Mal deutlich weniger skeptisch aus.

Was tatsächlich gelöst wurde

Das spezifische Problem – eine Variante der zufälligen Schaltungsabtastung – ist an sich nicht direkt nützlich. Dabei wird die Ausgangsverteilung eines zufälligen Quantenschaltkreises abgetastet, eine Aufgabe, die für klassische Computer rechenintensiv, für Quantencomputer jedoch selbstverständlich ist. Das Problem wurde gerade deshalb ausgewählt, weil es theoretisch gut verstanden ist und es ermöglicht, das Quantenergebnis zu überprüfen und zu berechnen, wie lange ein klassischer Computer brauchen würde, um es zu reproduzieren.

Die 10.000-Jahre-Zahl bezieht sich auf den bekanntesten klassischen Algorithmus, der auf dem leistungsstärksten Supercomputer der Welt läuft. Es handelt sich nicht um die Behauptung, dass kein klassischer Algorithmus das Problem jemals schneller lösen könnte – Behauptungen über die Quantenüberlegenheit beziehen sich immer auf die bekanntesten klassischen Methoden, und klassische Algorithmen verbessern sich mit der Zeit. Aber der Spielraum ist groß genug, dass zu seiner klassischen Schließung ein Durchbruch von vergleichbarer Größenordnung wie der Quantenfortschritt selbst erforderlich wäre.

Noch wichtiger ist, dass Willow eine Schlüsseleigenschaft demonstriert, die Quantencomputern bisher entgangen ist: Fehlerkorrektur, die sich mit der Skalierung des Systems verbessert. Frühere Quantenprozessoren wurden weniger zuverlässig, je mehr Qubits hinzugefügt wurden – Fehler häuften sich schneller an, als sie korrigiert werden konnten. Willow zeigt den gegenteiligen Trend. Als Google dem Fehlerkorrekturcode weitere Qubits hinzufügte, sank die logische Fehlerrate exponentiell. Dies ist das Verhalten, das die Quantenfehlerkorrekturtheorie vorhersagt, das jedoch bisher noch kein physikalisches System überzeugend nachgewiesen hat.

Warum Fehlerkorrektur der wahre Durchbruch ist

Um zu verstehen, warum dies wichtig ist, ist es hilfreich, die grundlegende Herausforderung des Quantencomputings zu verstehen. Quantenbits (Qubits) reagieren außerordentlich empfindlich auf Umwelteinflüsse – Hitze, elektromagnetische Störungen und sogar kosmische Strahlung können Fehler verursachen. Klassische Computer gehen mit Fehlern durch Redundanz und Fehlerkorrekturcodes um, aber die Anwendung des gleichen Ansatzes auf Quantencomputer ist viel schwieriger, weil Quantenzustände nicht kopiert werden können (das No-Cloning-Theorem) und die Messung eines Quantenzustands ihn zerstört.

Bei der Quantenfehlerkorrektur wird ein einzelnes logisches Qubit über viele physikalische Qubits hinweg so kodiert, dass Fehler erkannt und korrigiert werden können, ohne den logischen Zustand direkt zu messen. Die Theorie ist seit den 1990er Jahren bekannt, aber ihre praktische Umsetzung erfordert physikalische Qubits mit Fehlerraten unterhalb eines Schwellenwerts – und es hat sich als äußerst schwierig erwiesen, diesen Schwellenwert bei der Skalierung des Systems aufrechtzuerhalten.

Willows Demonstration, dass die Fehlerraten mit der Skalierung des Systems abnehmen, ist der erste überzeugende Beweis dafür, dass ein physikalisches Quantensystem im Maßstab unterhalb der Fehlerkorrekturschwelle arbeiten kann. Das bedeutet nicht, dass fehlertolerantes Quantencomputing unmittelbar bevorsteht – die Fehlerraten sind für die meisten praktischen Anwendungen immer noch zu hoch –, aber es zeigt, dass der Weg zur Fehlertoleranz offen ist. Die Frage ist nicht mehr, ob eine skalierbare Quantenfehlerkorrektur physikalisch möglich ist, sondern wie lange es dauern wird, bis die für brauchbare Berechnungen erforderlichen Fehlerraten erreicht sind.

Implikationen für die Kryptographie

Die Kryptographie-Community hat den Fortschritt des Quantencomputings genau beobachtet, da ausreichend leistungsstarke Quantencomputer RSA und die Elliptische-Kurven-Verschlüsselung – die Grundlagen der meisten Internetsicherheit – durchbrechen könnten. Willows Ergebnis hat diese Diskussion neu entfacht, auch wenn die unmittelbare Bedrohung weniger akut ist, als einige Schlagzeilen vermuten lassen.

„Wir sind noch nicht am Ziel“, sagt Dr. Michele Mosca vom Institut für Quantencomputing. „Aber das heutige Ergebnis ist ein klares Signal, dass der Zeitplan für kryptografisch relevantes Quantencomputing ernst genommen werden muss. Organisationen, die noch nicht mit der Migration zur Post-Quanten-Kryptografie begonnen haben, sollten jetzt damit beginnen.“

Um RSA-2048 – den gebräuchlichsten Verschlüsselungsstandard – zu brechen, wäre ein fehlertoleranter Quantencomputer mit Millionen logischer Qubits erforderlich. Willow hat 105 physikalische Qubits. Die Kluft ist enorm. Aber der Nachweis einer skalierbaren Fehlerkorrektur bedeutet, dass die Lücke nun eher eine Frage der Technik als der Grundlagenphysik ist. Die NIST-Standards für Post-Quantenkryptographie, die 2024 fertiggestellt wurden, bieten den Migrationspfad, dem Unternehmen folgen müssen – und das Willow-Ergebnis ist ein überzeugendes Argument für die Dringlichkeit.

Am anfälligsten sind Systeme mit einer langen Datenlebensdauer. Heute abgefangene verschlüsselte Daten könnten später gespeichert und entschlüsselt werden, sobald Quantencomputer leistungsfähig genug sind. Geheimdienste und verfeindete Nationalstaaten tun mit ziemlicher Sicherheit genau dies – eine Strategie, die als „Jetzt ernten, später entschlüsseln“ bekannt ist. Für Daten, die zehn oder mehr Jahre lang vertraulich bleiben müssen, ist die Migration zur Post-Quanten-Kryptographie nicht optional.

Wirkstoffforschung und molekulare Simulation

Die unmittelbar vielversprechendere Anwendung ist die molekulare Simulation. Quantencomputer eignen sich von Natur aus zur Modellierung quantenmechanischer Systeme – einschließlich des Verhaltens von Molekülen. Eine genaue molekulare Simulation könnte die Entdeckung von Arzneimitteln erheblich beschleunigen, indem sie es Forschern ermöglicht, potenzielle Arzneimittelkandidaten rechnerisch zu testen, bevor sie jemals ein einzelnes Molekül synthetisieren.

Aktuelle klassische Computer können Moleküle mit bis zu etwa 50 Atomen genau simulieren. Darüber hinaus wächst die Rechenkomplexität exponentiell und Approximationen werden notwendig. Viele der wichtigsten biologischen Moleküle – Proteine, Enzyme, Wirkstoffziele – sind weitaus größer als dieser Grenzwert. Ein fehlertoleranter Quantencomputer könnte diese Moleküle exakt simulieren und so möglicherweise Medikamentenkandidaten identifizieren, die mit klassischen Methoden völlig übersehen würden.

Der Zeitrahmen für diese Anwendung ist länger als die kryptografische Bedrohung. Die molekulare Simulation erfordert fehlertolerante Quantencomputer mit Tausenden von logischen Qubits – noch Jahre entfernt. Aber Pharmaunternehmen wie Roche, Pfizer und Merck investieren bereits in die Quantencomputing-Forschung und positionieren sich so, dass sie die Technologie nutzen können, wenn sie ausgereift ist.

Materialwissenschaft und Klimaanwendungen

Über die Entdeckung von Arzneimitteln hinaus könnte die Quantensimulation die Materialwissenschaft verändern. Die Entwicklung besserer Katalysatoren für industrielle chemische Prozesse – einschließlich des Haber-Bosch-Verfahrens zur Herstellung von Düngemitteln, die etwa 2 % des weltweiten Energieverbrauchs ausmachen – könnte enorme wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen haben. Die Entwicklung besserer Solarzellenmaterialien, besserer Batteriechemien und besserer Supraleiter sind alles Probleme, die durch Quantensimulation beschleunigt werden könnten.

Die Auswirkungen auf das Klima sind möglicherweise erheblich. Viele der wichtigsten sauberen Energietechnologien – Solarzellen der nächsten Generation, Raumtemperatur-Supraleiter, bessere Elektrolyseure für die Produktion von grünem Wasserstoff – sind durch unsere Unfähigkeit, Materialien mit genau den richtigen quantenmechanischen Eigenschaften zu entwickeln, eingeschränkt. Quantencomputer könnten diese Einschränkung beseitigen.

Die Wettbewerbslandschaft

Google ist nicht der Einzige im Wettlauf um den Bau nützlicher Quantencomputer. IBM hat eine eigene Roadmap, die bis zum Jahr 2033 100.000 physikalische Qubits anstrebt. Einen grundlegend anderen Ansatz verfolgt Microsoft mit topologischen Qubits, die theoretisch fehlerresistenter sind. IonQ und Quantinuum bauen Quantencomputer mit gefangenen Ionen, die geringere Fehlerraten als supraleitende Qubits aufweisen, aber schwieriger zu skalieren sind. Chinas Quantencomputerprogramm, das an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas angesiedelt ist, hat seine eigenen Vormachtstellungsergebnisse unter Beweis gestellt.

Die Vielfalt der Ansätze spiegelt die echte Unsicherheit darüber wider, welche physikalische Plattform sich letztendlich als die praktischste für fehlertolerantes Quantencomputing erweisen wird. Jeder Ansatz hat unterschiedliche Kompromisse zwischen Qubit-Qualität, Skalierbarkeit und Betriebsbedingungen. Das Feld ist noch so früh, dass die Siegerplattform noch nicht klar erkennbar ist.

What Comes Next

Googles Roadmap sieht bis zum Ende des Jahrzehnts einen fehlertoleranten Quantencomputer vor – einen, der in der Lage ist, praktische Algorithmen mit Fehlerraten auszuführen, die niedrig genug für reale Anwendungen sind. Ob dieser Zeitplan gilt, wird von weiteren Fortschritten bei der Fehlerkorrektur, der Qubit-Qualität und den klassischen Kontrollsystemen, die Quantenprozessoren verwalten, abhängen.

Das Willow-Ergebnis ist ein echter Meilenstein und keine Marketingankündigung. Es zeigt, dass die grundlegende Physik der skalierbaren Quantenfehlerkorrektur so funktioniert, wie die Theorie es vorhersagt. Die verbleibenden technischen Herausforderungen sind gewaltig, aber es handelt sich um technische Herausforderungen – von der Art, die nachhaltige Investitionen und Anstrengungen erfordern. Die Ära des praktisch nutzbaren Quantencomputings rückt näher als letzte Woche.

Quellen und weiterführende Literatur