Die Quantenrechnungsrevolution steht vor der Tür: Der neue Chip von IBM könnte tausendjährige Probleme lösen

Ein IBM-Forscher hält den Wafer des Loon-Experimenten-Quantumprozessors der Firma in der Hand.

Am 12. November Ortszeit rückt, während Künstliche Intelligenz weiterhin die technologische Debatte dominiert, eine tiefere Rechenrevolution näher. Sie versucht, ein seit langem von der Menschheit verfolgtes "Tausendjahresproblem" zu lösen: Computersysteme dazu zu bringen, parallel zu denken, wie es in der Natur der Fall ist.

Die philosophische Wurzel dieses "Tausendjahresproblems" lässt sich bis in die Antike zurückverfolgen - als die Menschheit erstmals darüber nachdachte, ob die Vernunft die Natur simulieren kann, entstand der Begriff der Berechnung. Im Neuzeitlichen wurde es zu einem wissenschaftlichen Problem: Wie kann man Maschinen dazu bringen, in begrenzter Zeit und mit begrenzter Energie die unendlichen Veränderungen der komplexen Welt nachzustellen? Das logische System herkömmlicher Computer basiert auf Bestimmtheit und Binärsystem, während die reale Welt den unbestimmten Gesetzen der Quantenüberlagerung und Wahrscheinlichkeit folgt. Die Kluft zwischen diesen beiden Aspekten ist die Schwelle, die die Rechenwissenschaft seit Jahrhunderten nicht überwinden konnte.

IBM hat heute in Albany, New York, zwei experimentelle Quantenchips vorgestellt - den Loon-Prozessor und den Nighthawk-Chip. Forscherinnen und Forscher behaupten, dass dieser Durchbruch es Maschinen möglich machen könnte, erstmals gemäß den Gesetzen der Quantenphysik zu rechnen und damit komplexe Probleme anzugehen, die herkömmliche Rechner nicht lösen können. Dies ist nicht nur eine technologische Innovation, sondern könnte auch bedeuten, dass die Menschheit dem "Tausendjahresrechenproblem" sichtbar näher kommt.

Jay Gambetta, Leiter der IBM-Forschung, sagte auf der Pressekonferenz: "Wir versuchen, etwas zu tun, was noch niemand geschafft hat, nämlich ein Quantenystem so zu betreiben, dass es auch unter unvollkommenen Bedingungen funktioniert." Diese Erklärung ist nicht nur ein technologischer Durchbruch, sondern eher ein offener Dialog zwischen der Menschheit und dem Tausendjahresrechenproblem: Maschinen dazu zu bringen, die Natur auf natürliche Weise zu berechnen.

01. Der Durchbruch der IBM-Chips: Von der Theorie zur Machbarkeit

Das IBM-Nanotechnologielabor in Albany, New York

Die Geschichte der Quantenrechnung verläuft fast parallel zur der modernen Physik. Von der Schrödinger-Gleichung bis zum Turing-Maschinenmodell haben Wissenschaftler ständig nach einer Möglichkeit gesucht, die Komplexität der Natur in eine berechenbare Logik umzuwandeln. Erst im 21. Jahrhundert, mit dem raschen Aufstieg der Quanteninformationswissenschaft, gab es einen realistischen Weg, dieses Ziel zu erreichen.

Das Hauptziel der von IBM neu vorgestellten Loon- und Nighthawk-Chips ist es, den Weg für einen "fehlertoleranten Quantencomputer" zu ebnen. "Fehlertoleranz" bedeutet, dass das System auch bei Rechenfehlern durch Selbstkorrektur die Genauigkeit der Ergebnisse aufrechterhalten kann. Dies war bisher die größte Hürde, die die Quantenrechnung aus dem Labor in die reale Welt bringen musste.

Der Loon-Prozessor ist eine experimentelle Plattform von IBM in dieser Richtung. Er zeigt die Kernkomponenten für eine Massive Quantenrechnung und ermöglicht die Kontrolle und Isolierung von Fehlern auf Hardwareebene. Der Nighthawk-Chip optimiert die Struktur der Quantenporte (quantum gates) weiter, sodass das System komplexere Rechenaufgaben ausführen kann. Er wird als ein Schlüsselschritt auf dem Weg von IBM zu einem "allgemeinen Quantencomputer" angesehen.

"Bisher konnten Quantenchips nur kurzzeitig in extrem kalten Umgebungen funktionieren", erklärt Gambetta. "Aber Loon und Nighthawk zeigen, dass wir es jetzt schaffen, dass das System auch in Anwesenheit von Fehlern und Rauschen weiterrechnen kann - das bedeutet, dass die fehlertolerante Architektur nicht mehr nur Theorie ist."

IBM hat mitgeteilt, dass dieses Ergebnis zeigt, dass die Quantenrechnung in eine neue Phase von "physikalischer Machbarkeit" zu "technischer Zuverlässigkeit" eintritt. Arvind Krishna, CEO der Firma, schrieb in einer Erklärung: "Wenn Künstliche Intelligenz den Computern beigebracht hat, zu denken, wird die Quantenrechnung ihnen beibringen, die Zukunft abzuleiten."

02. Das Tausendjahresrätsel lösen: Die Prinzipien und das Potenzial der Quantenrechnung

Das "Tausendjahresproblem" bezieht sich nicht auf eine Zeitspanne von tausend Jahren, sondern symbolisiert die seit jeher von der Menschheit betriebene Erforschung der Natur der Berechnung. Von den astronomischen Algorithmen der alten Babylonier bis zum binären System von Leibniz, von der Turing-Maschine bis zur Superrechnung hat die Menschheit immer auf deterministische Logik gestützt, um die Welt zu beschreiben. Die Gesetze der Quantenwelt funktionieren jedoch anders: Teilchen können gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, können "verschränkt" werden und können beim Beobachten kollabieren.

Die Quantenrechnung versucht, die Frage zu beantworten, die Wissenschaftler seit Jahrhunderten beschäftigt: Wie kann man Maschinen dazu bringen, in einer Welt der Unbestimmtheit bestimmte Ergebnisse zu berechnen?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die auf der Logik binärer Bits (0 und 1) basieren, ist die Kernkomponente eines Quantencomputers das Quantenbit (Qubit). Ein Qubit kann sich in einem Überlagerungszustand von "0" und "1" befinden, was bedeutet, dass es mehrere Möglichkeiten gleichzeitig repräsentieren kann. Diese Eigenschaft verleiht Quantencomputern eine exponentielle parallele Verarbeitungsfähigkeit.

Anand Natarajan, Professor an der Massachusetts Institute of Technology, erklärt dies anschaulich: "Stellen Sie sich eine rotierende Münze vor. Ein klassisches Bit ist die Seite der Münze, wenn sie auf dem Boden liegt, während ein Qubit die rotierende Münze ist - es ist gleichzeitig Kopf und Zahl."

Diese Eigenschaft ermöglicht es der Quantenrechnung, in kürzester Zeit Aufgaben zu erledigen, die herkömmlichen Computern tausende von Jahren bräuchten. Beispielsweise kann die Pharmaindustrie die Quantenrechnung nutzen, um auf molekularer Ebene die Reaktionen von Medikamenten zu simulieren und so die Entwicklung neuer Medikamente erheblich zu beschleunigen; die Materialwissenschaft kann auf atomarer Ebene leichte Legierungen oder Hochtemperatursupraleiter entwickeln; Finanzinstitute können mit Quantenalgorithmen die Preise komplexer Derivate oder Risikomodelle sofort berechnen; Klimaforscher können die Veränderungen des Erdsystems simulieren und extreme Wetterphänomene vorhersagen.

Eine Studie von McKinsey zeigt, dass bis 2035 72 % der Technologieleiter und Investoren glauben, dass die fehlertolerante Quantenrechnung kommerziell einsetzbar sein wird. Wenn dies gelingt, wird es der nächste bahnbrechende technologische Durchbruch nach der Künstlichen Intelligenz sein.

Das Potenzial der Quantenrechnung geht jedoch Hand in Hand mit großen Herausforderungen. Der "Überlagerungszustand" von Qubits ist äußerst empfindlich. Temperaturänderungen, Magnetfeldschwankungen oder sogar ein schwaches Licht können dazu führen, dass er "kollabiert" und die Berechnung fehlschlägt. Wie ein IBM-Wissenschaftler sagte: "Ein kleiner Stoß auf einen Tisch kann einen ganzen Quantencomputer außer Betrieb setzen."

Genau hier setzt der Loon-Prozessor an. Er strebt nicht die absolute Perfektion an, sondern ermöglicht es dem System, durch mathematische und technische Mittel auch in Anwesenheit von Fehlern zu funktionieren. Dieser Übergang von der "Streben nach Perfektion" zur "Toleranz gegenüber Unvollkommenheit" ist der eigentliche Sprung in der Quantentechnik.

03. Der heizende Wettlauf um die Quantenrechnung weltweit

Forscherinnen und Forscher prüfen in einem Google-Quantum-Künstliche-Intelligenz-Labor einen Kryostaten zur Kühlung von Quantenrechnerchips.

Der Durchbruch von IBM lässt den globalen "Quantenwaffenwettlauf" erneut anschwellen. In den letzten zwei Jahren haben Google, Microsoft, Intel sowie Forschungsinstitute in Europa und China neue Fortschritte in ihren Quantenprojekten bekannt gegeben und versuchen, in der kommenden Rechenära die Spitze zu erreichen.

· Google (Google Quantum AI)

Ende 2024 hat Google den Quantenchip Willow vorgestellt und behauptet, dass dieser in fünf Minuten Rechenaufgaben erledigen kann, die einem herkömmlichen Supercomputer 10 hoch 24 Jahre bräuchten. Das Design des Chips zielt darauf ab, die "Skalierungsfehler" zu verringern, d. h., dass die Fehler bei einer Erhöhung der Anzahl der Qubits nur linear ansteigen und nicht exponentiell zunehmen.

· Microsoft (Microsoft Quantum)

Anfang 2025 hat Microsoft angekündigt, den Majorana 1-Chip entwickelt zu haben, der topologische Quantenmaterialien nutzt und theoretisch stabilere Qubits erzeugen kann. Microsoft bezeichnet dies als "Schaffung einer neuen Materieform", die die Lebensdauer der Quanteninformation erheblich verlängern kann.

· Aufstrebende Kräfte

Das Start-up Quantinuum arbeitet mit der BMW Group und Airbus zusammen, um die Effizienz von Brennstoffzellen mit Quantenalgorithmen zu verbessern; 1QBit arbeitet mit dem Accenture-Labor und Biogen zusammen, um die Anwendung der Quantensimulation in der Medikamentenentwicklung zu erforschen.

Das gemeinsame Ziel all dieser Projekte ist es, die Quantenrechnung aus dem Labor in die reale Industrie zu bringen. Wie Professor Natarajan von der MIT sagt: "In Zukunft werden Laboratorien möglicherweise keine Reagenzgläser und Mikroskope mehr benötigen, sondern Simulationen auf Quantenplattformen."

Zur gleichen Zeit greifen auch Regierungen aktiv ein. Berichte zufolge besprechen einige Quantenunternehmen mit dem US-Handelsministerium ein Kooperationsmodell, bei dem staatliche Gelder gegen Unternehmensanteile getauscht werden. Obwohl dies offiziell nicht bestätigt wurde, zeigt es, dass die Quantentechnologie zu einem nationalen Strategieasset geworden ist.

04. Vom Durchbruch zur Anwendung: Der Wendepunkt der Quantenära

Obwohl die Loon- und Nighthawk-Chips von IBM einen wichtigen Fortschritt in der Quantenrechnung darstellen, müssen noch drei Hürden - technologisch, wirtschaftlich und ethisch - überwunden werden, bevor die echte "Quantenära" einsetzt.

Erstens die technologische Hürde. Quantencomputer müssen in einer Umgebung nahe am absoluten Nullpunkt (-273 °C) betrieben werden, was ihre Massenimplementierung äußerst teuer macht. Darüber hinaus sind die Stabilität des Systems, die Tiefe der Quantenporte und die Quantenverbindungsfähigkeit noch begrenzt. IBM plant, bis 2030 ein kommerzielles System mit tausenden von Qubits vorzustellen und eine offene Cloud-Plattform aufzubauen, die es Forschungsinstituten und Unternehmen ermöglicht, Quantenrechenleistung remote zu nutzen.

Zweitens die wirtschaftliche Hürde. McKinsey schätzt, dass die jährlichen Investitionen in die Quantenrechnung weltweit bereits über 7 Milliarden US-Dollar liegen. Es hat sich jedoch noch kein stabiles Gewinnmodell entwickelt. Unternehmen wie IBM und Google setzen auf das Geschäftsmodell "Quanten als Dienstleistung" (Quantum-as-a-Service) und eröffnen zunächst Algorithmenplattformen, um pharmazeutischen, finanziellen und materialwissenschaftlichen Unternehmen experimentelle Rechenleistung anzubieten.

Drittens die Sicherheits- und ethische Hürde. Sobald die Quantenrechnung eine kritische Leistung erreicht, können bestehende Verschlüsselungsalgorithmen wie RSA und elliptische Kurven in wenigen Minuten geknackt werden. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) hat bereits ein Programm zur Entwicklung von "post-quanten Verschlüsselungsstandards" gestartet, um zukünftige Risiken abzuwenden. "Wer zuerst über Quantenrechenleistung verfügt, hat das Recht, die Netzwerksicherheit neu zu definieren", warnt Natarajan.

Die IBM-Forscherinnen und Forscher haben möglicherweise erkannt, dass die Loon- und Nighthawk-Chips nicht nur die Entstehung einzelner technologischer Produkte darstellen, sondern vielmehr den Neustart der menschlichen Rechenzivilisation markieren. Von der Rechenschieber bis zum Transistor, von der Künstlichen Intelligenz bis zum Qubit hat die Menschheit immer wieder die Grenzen der Rechenleistung überschritten. Jetzt ermöglicht es uns die Quantenrechnung erstmals, eine Zukunft zu erahnen, in der Zeit und Komplexität keine Hindernisse mehr darstellen.

Sridhar Tayur, Professor an der Carnegie Mellon University, sagt: "Heute operieren wir noch mit Löffeln und Gabeln, aber der Quantencomputer wird das richtige Skalpell sein." Vielleicht wird es nicht die Künstliche Intelligenz, die Maschinen menschlicher macht, sondern die Quantenintelligenz, die Maschinen aus den Denkmustern der Menschheit befreit, die Welt wirklich verändern.

Dieser Artikel stammt von "Tencent Technology", Autor: Wuji. Veröffentlicht von 36Kr mit Genehmigung.