Wird das Quanten-Chip das nächste "Atombomben"?

Im Jahr 1980 legte der russische Mathematiker Juri Manin in seiner Schrift "Berechenbares und Unberechenbares" erstmals das Konzept des Quantencomputers vor. In diesem Jahr war die Quantenrechnung noch nur eine vage theoretische Vorstellung, und selbst der Erfinder wusste nicht, ob diese Idee jemals Wirklichkeit werden würde.

Ein Jahr später, 1981, brachte der amerikanische Physiker Richard Feynman unabhängig das gleiche Konzept auf und sagte in einem Vortrag: "Die Natur ist nicht klassisch. Wenn Sie die Natur simulieren möchten, sollten Sie am besten die Quantenmechanik benutzen." Diese Worte entfachten den Funken für die Quantenrechnungsforschung.

In den folgenden langen Jahren erlebte die Quantenrechnung wiederholte Rückschläge und Wartezeiten.

1994 präsentierte Peter Shor im Bell Laboratory den berühmten Shor-Algorithmus, der belegte, dass Quantencomputer theoretisch das bestehende Kryptosystem brechen können. 1999 gründete der kanadische Physiker Geordie Rose D-Wave, das erste Quantenrechnungsunternehmen der Welt. 2007 brachte D-Wave eine 16-Qubit-Quantenannealersimulationseinheit auf den Markt. Dies war das erste Mal, dass ein Quantencomputer aus dem Labor in die Realität trat.

Die Geschichte scheint immer wieder zu beweisen, dass die Quantenrechnung immer eine Technologie für "in zehn Jahren" bleibt.

Dann war es Oktober 2019. In der Nacht jenes Herbstes warteten in der Forschungsanlage von Google in Santa Barbara, Kalifornien, eine Gruppe von Ingenieuren angespannt auf einen Quantenchip namens "Sycamore". Dieser Chip mit nur 53 Qubits absolvierte in 200 Sekunden eine bestimmte Aufgabe. Dieselbe Aufgabe würde der damals stärkste Supercomputer der Welt, "Summit", 10.000 Jahre brauchen. Am 23. Oktober 2019 veröffentlichte Google offiziell einen Artikel in der Zeitschrift "Nature" und kündigte die Erreichung der "Quantenüberlegenheit" an - dies war das erste Mal in der Geschichte der Quantenrechnung, dass ein Quantencomputer bei einer bestimmten Aufgabe alle klassischen Computer übertrumpfte.

Als die Nachricht verbreitet wurde, ergriff die weltweite Öffentlichkeit Feuer. Die "Economist" nannte es den "Quantensatellitenmoment". Plötzlich wurde den Menschen bewusst, dass die "Zukunft", die einmal nur in Theorie existierte, möglicherweise wirklich hereinkommt.

Aber nur wenige wissen, dass hinter jenem Morgen bei Google ein vierzigjähriger Technologiewettlauf steht. Von Manins mathematischer Vorstellung über die Start-up-Unternehmen in den Garagen von Silicon Valley bis hin zu den staatlichen Investitionen in China, den USA, Europa, Japan und Südkorea ist die Quantenrechnung nie nur eine technologische Innovation gewesen. Sie ist seit ihrem Entstehen zum Brennpunkt des Großmächtenwettbewerbs geworden.

Dies ist eine Geschichte über Warten, Scheitern, Vorurteile und Wiederaufstieg.

Die Metapher der "Atombombe"

Wenn die "Atombombe" verwendet wird, um einen Quantenchip zu beschreiben, geht es nicht nur um die Angst vor der technologischen Macht, sondern auch um eine zivilisatorische Angst.

Am 16. Juli 1945 wurde die erste Atombombe der Menschheit in der Wüste von New Mexico erfolgreich getestet. In diesem Moment dachte Oppenheimer an einen Satz aus dem indischen Epos "Bhagavad Gita": "Jetzt bin ich der Tod, der Vernichter der Welt." Weniger als einen Monat später wurden Hiroshima und Nagasaki in Schutt und Asche gelegt. Die Atombombe beendete nicht nur den Zweiten Weltkrieg, sondern eröffnete auch die Ära der nuklearen Abschreckung zwischen den Großmächten.

Was fürchten Menschen heute, wenn sie den Quantenchip als "Atombombe" bezeichnen?

Die erste Ebene ist der Zusammenbruch des Kryptosystems. Die Grundlage der Kryptografie für die globale Finanzwelt, militärische Kommunikation und staatliche Geheimnisse beruht fast vollständig auf der mathematischen Annahme, dass klassische Computer große Ganzzahlen nicht in einer vernünftigen Zeit zerlegen können. Aber der Shor-Algorithmus hat bewiesen, dass diese Annahme über Nacht ungültig werden würde, wenn man einen ausreichend leistungsstarken Quantencomputer hätte. 2023 gab die US-amerikanische National Security Agency eine Ankündigung heraus und forderte alle staatlichen Institutionen auf, so bald wie möglich zum "Post-Quanten-Kryptosystem" überzugehen.

Die zweite Ebene ist die weltweite staatliche Mobilisierung. Heute setzen alle wichtigen Weltwirtschaftsnationen staatliche Kräfte in die Quantenforschung ein. Chinas "14. Fünfjahresplan" listet die Quanteninformation als Vorranggebiet der Spitzentechnologie auf. Die Europäische Union hat das "Quantum Flagship" gestartet und sich verpflichtet, in zehn Jahren eine Milliarde Euro in die Quantenforschung zu investieren. Der US-Kongress hat ein Bipartisan-Gesetz verabschiedet und mehr als 1,2 Milliarden Dollar in die Quantenforschung investiert.

Derzeit gibt es in der EU über 230 Quantenunternehmen, was 29 % ausmacht. Unter ihnen sind über 70 deutsche Quantenunternehmen. In den USA gibt es über 210 Quantenunternehmen, was 26 % ausmacht. In China gibt es über 140 Quantenunternehmen, was 17 % ausmacht.

Wenn wir diesen Vergleich genauer betrachten, wird der Einfluss der Quantenrechnung allumfassend sein und nicht nur auf den militärischen Bereich oder die Zerstörung beschränkt. Die Atombombe ist eine Waffe mit einer einzigen und klaren Verwendung - der Zerstörung. Der Quantenchip ist keine "Sache", sondern eine Art "Fähigkeit". Er könnte die Kryptographie revolutionieren, aber er könnte auch helfen, Krebsmedikamente zu entwickeln, neue Materialien zu entwerfen und das globale Logistiknetz zu optimieren.

Aber der Quantenchip hat tatsächlich das Potenzial, die Machtverteilung zu verändern. Wer die Fähigkeit des Quantenchips beherrscht, hat im Informationszeitalter einen asymmetrischen Vorteil. Aber es wird nicht wie bei der Atombombe ein bestimmter Moment sein. Das Wachstum der Quantenchipfähigkeit wird schrittweise, kommerziell und erfordert langfristige Investitionen.

Sechs Wege im Wettlauf - Die technologische Landschaft der Quantenrechnung

Im Dezember 2024 kam es im Bereich der Quantenchips zu einer längst erwarteten "Synchronisierung". Google und die Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas stellten nacheinander ihre neuesten 105-Qubit-Supraleitungsquantenchips vor, was erneut die Begeisterung der Branche für die Quantenrechnung entfacht hat.

Schematische Darstellung des Zuchongzhi-3-Quantenprozessors, demonstriert von der Gruppe um Pan Jianwei.

Ein paar Tage vor und nach der Veröffentlichung des neuen Quantenchips "Willow" von Google kündigte die Gruppe um Akademiker Pan Jianwei an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas in Hefei an, dass sie erfolgreich den "Zuchongzhi 3.0"-Prozessor in der gleichen Spezifikation entwickelt hatten. Diese beiden fast gleichzeitig veröffentlichten Prozessoren haben die gleiche Anzahl an Qubits, aber sie gehen in der Architekturentwicklung verschiedene Wege.

Der erste Weg ist die Supraleitungsquantenrechnung. Dies ist derzeit die am weitesten verbreitete und am höchsten kommerzialisierte Technologie. Google, IBM, Intel, Rigetti und Chinas Origin Quantum haben alle zahlreiche Ressourcen in diese Richtung investiert. Das Grundprinzip des Supraleitungsquantenchips besteht darin, in einer Umgebung nahe dem absoluten Nullpunkt die "Josephson-Effekt" in supraleitenden Schaltkreisen zu nutzen, um Qubits zu erzeugen. Die Vorteile dieser Methode sind: schnelle Quanten-Gate-Operationen, Kompatibilität mit der bestehenden Halbleiterfertigungstechnologie und leichte Skalierbarkeit. Die Nachteile sind: die Notwendigkeit eines äußerst teuren Tieftemperatur-Dilutionskühlers, die begrenzte Kohärenzzeit der Qubits und die extreme Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsrauschen.

Im Juni 2025 kündigte Microsoft über die neuesten Fortschritte seiner Vierdimensionalen Topologischen Quantenfehlerkorrekturcode-Technologie an und behauptete, die Fehlerrate der Qubits um das Tausendfache reduziert zu haben. Damit hat der Quantencomputer erstmals die Zuverlässigkeit für die Bearbeitung komplexer Aufgaben erreicht.

Quanten-klassischer Datenfluss (Quelle: IBM)

IBM hat eine aggressivere kommerzielle Strategie verfolgt. IBM hat das Konzept des "Quantenzentrierten Supercomputers" vorgestellt, bei dem der Quantenprozessor, die CPU und die GPU in einer einzigen Rechenstruktur integriert werden. Der QPU wird eingesetzt, um die Quantenkreise zu verarbeiten, die eine exponentielle Menge an klassischem Arbeitsspeicher für die Simulation erfordern.

Der zweite Weg ist die Quantenrechnung mit Photonen. Dies ist derzeit der von China geführte Technologierichtung. Die "Photonenquanten-Schule", vertreten durch die Gruppe um Pan Jianwei an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, nutzt Photonen als Träger der Qubits. Die Vorteile der Photonen sind: lange Kohärenzzeit, keine Notwendigkeit einer Tieftemperaturumgebung und relative Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsrauschen.

Im Februar 2025 erreichte ein gemeinsames Team der Peking-Universität und der Shanxi-Universität einen großen Durchbruch im Bereich der integrierten Photonenquantenchips. Sie haben erstmals eine "kontinuierliche Variable" Quanten-Verschränkungsklumpen auf einem Chip realisiert. Dieses Ergebnis wurde in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht und hat eine entscheidende Lücke in der Entwicklung der Photonenquantenchips geschlossen.

Dies ist die zentrale Spannung im aktuellen Bereich der Quantenchips: Hinter dem Streit um die Technologierichtungen steht der Konflikt zwischen zwei Innovationsphilosophien. Der Supraleitungsweg baut auf der bestehenden Halbleiterindustrie auf, hat eine hohe technologische Reife und einen klaren kommerziellen Weg, aber die physikalischen Grenzen sind offensichtlich. Der Photonenquantenweg zeigt beeindruckende Leistungen bei bestimmten Problemen, aber es ist noch ein langer Weg bis zur universellen Rechnung.

Im tieferen Sinne entwickelt sich dieser Wettlauf zu einem Konflikt zwischen zwei Lager.

Das amerikanische Lager hat Google, IBM, Intel und andere Technologiegiganten als Kern, ergänzt durch Start-up-Unternehmen wie IonQ, Rigetti und Spitzenforschungseinrichtungen wie MIT, Stanford, Harvard. Die USA haben in der Supraleitungsquantenchip- und Ionenfallen-Technologie eine lange Tradition. 2022 hat das US-amerikanische Handelsministerium die Quantenrechnung in die Ausfuhrkontrollliste aufgenommen und die Ausfuhr von fortschrittlichen Quantenleistungstechnologien und Materialien nach China eingeschränkt.

Das chinesische Lager hat die Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, Origin Quantum, Huawei und andere Institutionen und Unternehmen als Kern und setzt in beiden Richtungen, der Photonenquantenrechnung und der Supraleitungsquantenrechnung, gleichermaßen ein. Chinas Vorteile liegen in der effizienten staatlichen Entscheidungsfindung, den hohen Forschungsinvestitionen und der reichen Reserven an qualifizierten Fachkräften. 2025 hat eine Tochtergesellschaft der China Telecom die Kontrollbeteiligung an Guodun Quantum übernommen, was ein Zeichen dafür ist, dass die chinesische Quantenindustrie in eine neue Phase der Ressourcenintegration eintritt.

Es sollte angemerkt werden, dass der Wettlauf in der Quantenrechnung niemals auf eine oder zwei Optionen beschränkt war. Derzeit befindet sich die weltweite Quantenrechnung in einer entscheidenden Phase der wissenschaftlichen Forschung und der Entwicklung von Prototypen. Supraleitung, Ionenfallen, neutrale Atome, Photonenquanten, Siliziumhalbleiter, Topologie und andere Technologierichtungen entwickeln sich parallel und konkurrieren offen miteinander. Jede Richtung hat ihre eigenen physikalischen Vorteile und technischen Herausforderungen, und es gibt noch keine endgültige Meinung darüber, welche Richtung schließlich zur universellen Quantenrechnung führen wird.

Die Geschichte der chinesischen Quantenchips

Um die heutige Situation der chinesischen Quantenchips zu verstehen, müssen wir in die 1980er Jahre zurückgehen, ein fast vergessener Anfang.

Anfang der 1980er Jahre war die chinesische Quantenrechnungsforschung fast nicht existent. Damals war China erst am Anfang der Reform und Öffnung, die Forschungsgelder waren knapp, die experimentellen Geräte waren veraltet, und die meisten Forschungsuniversitäten hatten nicht einmal ordentliche Tieftemperaturlaboratorien. Unter diesen Bedingungen begannen eine Gruppe junger chinesischer Physiker, sich in das Feld der Quantenrechnung einzuarbeiten.

Guo Guangcan ist einer der Gründer der chinesischen Quantenrechnungsbranche. Ende der 1980er Jahre kam er in Italien in Kontakt mit der Quanteninformationstheorie und erkannte sofort, dass dies ein Bereich sein würde, der die Zukunft verändern würde. 1999 gründete Guo Guangcan am Institut für Quanteninformation der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas ein Labor und begann seine lange Erschließungsreise.

2001 beantragte Guo Guangcan zum vierten Mal das "973-Projekt" und hatte endlich Erfolg. Er erhielt das erste 973-Projekt im Bereich der Quanteninformation und 25 Millionen Yuan Forschungsgelder. Als Chefwissenschaftler musste er nicht nur über sein eigenes Team nachdenken, sondern auch über die zukünftige Entwicklung der chinesischen Quanteninformation. "China kann nicht mit einem einzigen Team in der Welt konkurrieren. Es muss alle inneren Kräfte zusammenbringen, um zu konkurrieren."

2017 gründete Guo Guoping Origin Quantum, das erste chinesische Quantenrechnungsunternehmen. Origin Quantum hat sich für die Supraleitungsquantenchip-Technologie entschieden, eine Richtung, in der es direkt mit Google und IBM konkurriert. Der Weg von 0 auf 1 war schwierig: Die Einfuhr von Hochleistungs-Kühlern war verboten, und das chinesische Team musste die Tieftemperaturgeräte selbst entwickeln. Die Herstellung von Quantenchips erfordert fortschrittliche Halbleitertechnologien,