Microsofts Quantenmechanik

2012 gaben Physiker in den Niederlanden eine Entdeckung in der Teilchenphysik bekannt, die das Geschwätz über einen Nobelpreis auslöste. In einem winzigen Stab aus Halbleiterkristall, der kühler als der Weltraum gekühlt war, hatten sie den ersten Blick auf ein seltsames Teilchen namens Majorana-Fermion geworfen, das schließlich eine Vorhersage aus dem Jahr 1937 bestätigte. Es war ein Fortschritt, der scheinbar nichts mit den Herausforderungen des Verkaufs von Büroproduktivitätssoftware zu tun hatte oder im Wettbewerb mit Amazon im Bereich Cloud Computing, aber Craig Mundie, der damals die Technologie- und Forschungsstrategie von Microsoft leitete, war begeistert. Die abstruse Entdeckung – teilweise von Microsoft unterstützt – war entscheidend für ein Projekt des Unternehmens, das darauf abzielte, den Bau von immens leistungsstarken Computern zu ermöglichen, die Daten mithilfe der Quantenphysik verarbeiten. Es war ein entscheidender Moment, sagt Mundie. Diese Forschung führte uns zu einem Weg, eines dieser Systeme zu realisieren.

Microsoft ist jetzt fast ein Jahrzehnt in diesem Projekt und hat gerade begonnen, öffentlich darüber zu sprechen. Wenn es gelingt, könnte sich die Welt dramatisch verändern. Seit der Physiker Richard Feynman 1982 zum ersten Mal die Idee eines Quantencomputers vorschlug, haben Theoretiker bewiesen, dass eine solche Maschine Probleme lösen könnte, für die die schnellsten herkömmlichen Computer Hunderte von Millionen Jahren oder länger brauchen würden. Quantencomputer könnten Forschern beispielsweise bessere Werkzeuge an die Hand geben, um neuartige Medikamente oder supereffiziente Solarzellen zu entwickeln. Sie könnten die künstliche Intelligenz revolutionieren.

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2014

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Der Fortschritt in Richtung dieses rechnerischen Nirvana war langsam, weil niemand in der Lage war, eine ausreichend zuverlässige Version des Grundbausteins eines Quantencomputers herzustellen: ein Quantenbit oder Qubit, das Quanteneffekte zur Codierung von Daten verwendet. Akademische und staatliche Forscher sowie Unternehmenslabors von IBM und Hewlett-Packard haben sie alle gebaut. Kleine Zahlen wurden miteinander verdrahtet, und die resultierenden Geräte verbessern sich. Aber niemand kann die Physik so gut beherrschen, dass diese Qubits als Grundlage für einen praktischen Allzweckcomputer dienen könnten.

Microsoft hat noch nicht einmal ein Qubit gebaut. Aber in der Art von Paradoxon, die im Bereich der Quantenphysik zu erwarten ist, ist sie möglicherweise auch näher als jeder andere daran, Quantencomputer praktisch nutzbar zu machen. Das Unternehmen entwickelt eine neue Art von Qubit, bekannt als topologisches Qubit, das weitgehend auf dieser Entdeckung von 2012 in den Niederlanden basiert. Es gibt guten Grund zu der Annahme, dass dieses Design gegen die Flockigkeit immun sein wird, die bestehende Qubits plagt. Es wird auch besser für die Massenproduktion geeignet sein. „Was wir tun, ist vergleichbar damit, den ersten Transistor herzustellen“, sagt Peter Lee, Forschungsleiter bei Microsoft. Seine Firma arbeitet auch daran, wie die Schaltkreise eines Computers aus topologischen Qubits entworfen und gesteuert werden könnten. Und Microsoft-Forscher, die an Algorithmen für Quantencomputer arbeiten, haben gezeigt, dass eine Maschine, die nur aus Hunderten von Qubits besteht, Chemiesimulationen ausführen könnte, die die Kapazität jedes vorhandenen Supercomputers übersteigen.

Im nächsten Jahr oder so werden Physiklabore, die von Microsoft unterstützt werden, damit beginnen, entscheidende Teile des Qubit-Designs zu testen, und zwar nach einem Entwurf, der von einem mathematischen Genie im Freien entwickelt wurde. Wenn diese Tests erfolgreich sind, könnte ein Unternehmen, von dem allgemein angenommen wird, dass es in der Vergangenheit des Computers feststeckt, seine Zukunft erschließen.

Noch seltsamer: Ein Physiker in den sagenumwobenen, aber verblassten Bell Labs könnte zuerst dort ankommen.

In Knoten gebunden

In einem sonnigen Raum, 100 Meter vom Pazifischen Ozean entfernt, gibt Michael Freedman, der Initiator und technische Kopf von Microsofts Projekt, zu, sich minderwertig zu fühlen. Wenn Sie anfangen, über Quantencomputer nachzudenken, stellen Sie fest, dass Sie selbst eine Art klobiger chemischer Analogcomputer sind, sagt er. Der 63-jährige Freedman ist Direktor von Station Q, der Microsoft-Forschungsgruppe, die die Bemühungen zur Erstellung eines topologischen Qubits leitet und von etwa einem Dutzend Büros auf dem Campus der University of California in Santa Barbara aus arbeitet. Er ist fit und gebräunt und hat vom Spaziergang am Strand bis zum Mittagessen Staub an den Schuhen.

Wenn sein Verstand ein klobiger chemischer Computer ist, dann ist es ein außergewöhnlicher. Freedman war ein mathematisches Wunderkind, das im Alter von 16 Jahren an die UC Berkeley kam und zwei Jahre später die Graduiertenschule besuchte. Freedman war 30, als er eine Version eines der am längsten bestehenden Probleme der Mathematik löste, das Poincaré-Vermutung . Er arbeitete es aus, ohne etwas aufzuschreiben, und visualisierte die Verzerrung vierdimensionaler Formen in seinem Kopf. Ich hatte meinen Weg durch den Streit gefunden, erinnert sich Freedman. Als er diese innere Vision in einen 95-seitigen Beweis übersetzte, erhielt er die Fields-Medaille, die höchste Auszeichnung in der Mathematik.

Das festigte Freedmans Ansehen als führendes Licht in der Topologie, der Disziplin, die sich mit Eigenschaften von Formen befasst, die sich nicht ändern, wenn diese Formen verzerrt werden. (Ein alter Witz besagt, dass Topologen eine Kaffeetasse nicht von einem Donut unterscheiden können – beides sind Oberflächen, die von einem einzigen Loch durchbohrt sind.) Aber er wurde 1988 in die Physik gezogen, nachdem ein Kollege eine Verbindung zwischen einigen der mathematischen Beschreibungen entdeckt hatte Topologie von Knoten und eine Theorie zur Erklärung bestimmter Quantenphänomene. Es war eine schöne Sache, sagt Freedman. Er erkannte sofort, dass diese Verbindung es einer Maschine ermöglichen könnte, die von derselben Quantenphysik gesteuert wird, Probleme zu lösen, die für herkömmliche Computer zu schwierig sind. Da er nicht wusste, dass das Konzept des Quantencomputers bereits existierte, hatte er es eigenständig neu erfunden.

Freedman arbeitete weiter an dieser Idee und trat 1997 der Microsoft-Forschungsgruppe für theoretische Mathematik bei. Bald darauf tat er sich mit einem russischen theoretischen Physiker, Alexei Kitaev, zusammen, der bewiesen hatte, dass ein topologisches Qubit, das durch dieselbe Physik gebildet wurde, viel zuverlässiger sein könnte als Qubits, die andere Gruppen bauten. Freedman hatte schließlich das Gefühl, an etwas dran zu sein, das über seine verfeinerte Welt tiefer Mathematik und Physik hinaus Aufmerksamkeit verdiente. Im Jahr 2004 tauchte er im Büro von Craig Mundie auf und gab bekannt, dass er einen Weg gesehen habe, ein Qubit zu bauen, das zuverlässig genug ist, um es zu vergrößern. Am Ende habe ich eine Art Pitch gemacht, sagt Freedman. Es sah so aus, als ob Sie mit dem Aufbau der Technologie beginnen wollten.

Mundie hat es gekauft. Obwohl Microsoft nicht versucht hatte, Quantencomputer zu entwickeln, wusste er um ihr bemerkenswertes Potenzial und die langsamen Fortschritte, die bei deren Bau gemacht worden waren. Ich war sofort fasziniert von der Idee, dass es vielleicht einen ganz anderen Ansatz gibt, sagt er. Eine solche Form des Rechnens würde sich wahrscheinlich als Grundlage einer Transformation erweisen, die dem ähnelt, was klassisches Rechnen in den letzten 60 Jahren für den Planeten bewirkt hat. Er unternahm einen Versuch, das topologische Qubit zu erstellen, mit einem etwas nervösen Freedman an der Spitze. Ich habe noch nie in meinem Leben ein Transistorradio gebaut, sagt Freedman.

Ferner Traum

In mancher Hinsicht würde sich ein Quantencomputer gar nicht so sehr von einem herkömmlichen Computer unterscheiden. Beide handeln mit Datenbits, die in binärer Form dargestellt werden. Und beide Arten von Maschinen bestehen aus Grundeinheiten, die Bits darstellen, indem sie wie ein Schalter zwischen verschiedenen Zuständen umschalten. In einem herkömmlichen Computer kann jeder winzige Transistor auf einem Chip entweder ausgeschaltet werden, um a anzuzeigen 0 oder weiter für a eins . Aber aufgrund der skurrilen Regeln der Quantenphysik, die das Verhalten von Materie und Energie auf extrem kleinen Skalen bestimmen, können Qubits Tricks ausführen, die sie außerordentlich mächtig machen. Ein Qubit kann in einen Quantenzustand eintreten, der als Superposition bekannt ist und effektiv repräsentiert 0 und eins zur selben Zeit. Sobald sich Qubits in einem Überlagerungszustand befinden, können sie so verknüpft oder verwickelt werden, dass jede Operation, die sich auf eines auswirkt, sofort das Schicksal eines anderen ändert. Aufgrund von Überlagerung und Verschränkung kann eine einzelne Operation in einem Quantencomputer Teile einer Berechnung ausführen, die viele, viele weitere Operationen für eine entsprechende Anzahl gewöhnlicher Bits erfordern würden. Ein Quantencomputer kann im Wesentlichen eine Vielzahl möglicher Rechenwege parallel erkunden. Bei einigen Arten von Problemen wächst der Vorteil eines Quantencomputers gegenüber einem herkömmlichen exponentiell mit der zu verarbeitenden Datenmenge. Ihre Macht ist immer noch ein Erstaunen für mich, sagt Raymond Laflamme , Geschäftsführer des Institute for Quantum Computing an der University of Waterloo in Ontario. Sie verändern die Grundlagen der Informatik und das, was wir darunter verstehen, was berechenbar ist.

Im nächsten Jahr oder so werden von Microsoft unterstützte Physiklabore mit dem Testen des Qubit-Designs beginnen.

Aber reine Quantenzustände sind sehr zerbrechlich und können nur unter sorgfältig ausgedachten Umständen beobachtet und kontrolliert werden. Damit eine Überlagerung stabil ist, muss das Qubit vor scheinbar unbedeutendem Rauschen wie zufälligen Stößen von subatomaren Teilchen oder schwachen elektrischen Feldern von nahe gelegenen Elektronikgeräten abgeschirmt werden. Die beiden besten aktuellen Qubit-Technologien stellen Bits in den magnetischen Eigenschaften einzelner geladener Atome dar, die in Magnetfeldern gefangen sind, oder als winzige Ströme in Schaltkreisen aus supraleitendem Metall. Sie können Überlagerungen nicht länger als Sekundenbruchteile aufrechterhalten, bevor sie in einem als Dekohärenz bekannten Prozess zusammenbrechen. Die größte Anzahl von Qubits, die zusammen betrieben wurden, beträgt nur sieben.

Seit 2009 testet Google eine vom Start-up D-Wave Systems vertriebene Maschine als weltweit ersten kommerziellen Quantencomputer und kaufte 2013 eine Version der Maschine mit 512 Qubits. Aber diese Qubits sind fest in eine Schaltung für einen bestimmten Algorithmus verdrahtet, was die Bandbreite der Probleme einschränkt, an denen sie arbeiten können. Bei Erfolg würde dieser Ansatz das Quantencomputing-Äquivalent einer Zange schaffen – ein nützliches Werkzeug, das nur für einige Aufgaben geeignet ist. Der herkömmliche Ansatz, den Microsoft verfolgt, bietet einen voll programmierbaren Computer – das Äquivalent zu einem vollen Werkzeugkasten. Außerdem konnten unabhängige Forscher nicht bestätigen, dass die Maschine von D-Wave wirklich als Quantencomputer funktioniert. Google hat kürzlich ein eigenes Hardware-Labor gegründet, um zu versuchen, eine Version der Technologie zu entwickeln, die Ergebnisse liefert.

Die Suche nach Wegen zur Bekämpfung von Dekohärenz und den Fehlern, die sie in Berechnungen einführt, dominiert mittlerweile das Gebiet der Quantencomputer. Damit ein Qubit wirklich skalierbar ist, müsste es wahrscheinlich nur etwa einmal in einer Million Operationen versehentlich dekohären, sagt er Chris Monroe , Professor an der University of Maryland und Co-Leiter von a Quantencomputing-Projekt finanziert durch das Verteidigungsministerium und die Intelligence Advanced Research Projects Activity. Heutzutage dekohären die besten Qubits in der Regel tausendmal so oft.

Microsofts Station Q könnte einen besseren Ansatz haben. Die Quantenzustände, die Freedman in die Physik gelockt haben – die auftreten, wenn Elektronen in einer Ebene in bestimmten Materialien gefangen sind – sollten die Stabilität bieten, nach der sich ein Qubit-Konstrukteur sehnt, da sie von Natur aus taub für einen Großteil des Rauschens sind, das herkömmliche Qubits destabilisiert. In diesen Materialien nehmen Elektronen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt seltsame Eigenschaften an und bilden sogenannte Elektronenflüssigkeiten. Die kollektiven Quanteneigenschaften der Elektronenflüssigkeiten können verwendet werden, um ein bisschen zu bedeuten. Die Eleganz des Designs, zusammen mit Zuschüssen in Form von Bargeld, Ausrüstung und Rechenzeit, hat einige der weltweit führenden Physikforscher dazu verleitet, mit Microsoft zusammenzuarbeiten. (Das Unternehmen wird nicht sagen, welcher Anteil seiner jährlichen F&E-Ausgaben in Höhe von 11 Milliarden US-Dollar in das Projekt fließt.)

Der Haken ist, dass die Physik unbewiesen bleibt. Um die Quanteneigenschaften von Elektronenflüssigkeiten als Bits zu nutzen, müssten Forscher bestimmte Teilchen in ihrem Inneren, sogenannte nicht-Abelsche Anyonen, so manipulieren, dass sie sich gegenseitig umschlingen. Und obwohl Physiker davon ausgehen, dass nicht-Abelsche Anyonen existieren, wurde bisher noch keiner schlüssig nachgewiesen.

Majorana-Partikel, die Art von nicht-Abelschen Anyonen, die Station Q und ihre Mitarbeiter suchen, sind besonders schwer fassbar. Sie wurden erstmals 1937 von dem zurückgezogen lebenden italienischen Physiker Ettore Majorana vorhergesagt, kurz bevor er auf mysteriöse Weise verschwand, und faszinieren Physiker seit Jahrzehnten, weil sie die einzigartige Eigenschaft haben, ihre eigenen Antiteilchen zu sein. Wenn sich also zwei jemals treffen, vernichten sie sich blitzschnell von Energie.

Niemand hatte bis 2012 glaubwürdige Beweise dafür vorgelegt, dass sie existierten, als Leo Kouwenhoven von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, der Finanzmittel und Anleitung von Microsoft erhalten hatte, bekannt gab, dass er sie in Nanodrähten aus dem Halbleiter Indiumantimonid gefunden hatte. Er hatte die richtige Art von Elektronenflüssigkeit hervorgebracht, indem er den Nanodraht an einem Ende mit einem Stück supraleitender Elektrode und am anderen mit einer gewöhnlichen Elektrode verbunden hatte. Es bot die bisher stärkste Unterstützung für das Design von Microsoft. Der Befund hat uns enorme Zuversicht gegeben, dass wir wirklich auf dem richtigen Weg sind, sagt Lee von Microsoft. Kouwenhovens Gruppe und andere Labors versuchen nun, die Ergebnisse des Experiments zu verfeinern und zu zeigen, dass die Partikel manipuliert werden können. Um den Fortschritt zu beschleunigen und die Voraussetzungen für eine mögliche Massenproduktion zu schaffen, hat Microsoft begonnen, mit Industrieunternehmen zusammenzuarbeiten, um die Versorgung mit Halbleiter-Nanodrähten und der supraleitenden Elektronik sicherzustellen, die zur Steuerung eines topologischen Qubits benötigt würden.

Trotzdem hat Microsoft noch kein Qubit. Es muss ein Weg gefunden werden, um Majorana-Teilchen in der Operation, die zum Schreiben des Äquivalents von erforderlich ist, umeinander zu bewegen 0 s und eins S. Materialwissenschaftler am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen haben kürzlich einen Weg gefunden, Nanodrähte mit Seitenzweigen zu bauen, die es einem Partikel ermöglichen könnten, sich zur Seite zu ducken, während ein anderes vorbeikommt. Charlie Marcus, ein Forscher dort, der seit dem ersten Design mit Microsoft zusammengearbeitet hat, bereitet sich jetzt darauf vor, ein funktionierendes System mit den neuen Drähten zu bauen. Ich würde sagen, das wird uns für das nächste Jahr beschäftigen, sagt er.

Der Erfolg würde das Qubit-Design von Microsoft bestätigen und den jüngsten Vorschlägen ein Ende bereiten, dass Kouwenhoven das Majorana-Partikel im Jahr 2012 möglicherweise doch nicht entdeckt hat. Aber John Preskill, Professor für Theoretische Physik am Caltech, sagt, das topologische Qubit bleibe nichts weiter als eine schöne Theorie. Ich bin sehr angetan von der Idee, aber nach einigen Jahren ernsthafter Bemühungen gibt es immer noch keine eindeutigen Beweise, sagt er.

Die Quantencomputing-Forschung von Bob Willett in den Bell Labs ist vielversprechend.

Wettbewerbsphysik

In den Bell Labs in New Jersey sagt Bob Willett, er habe die Beweise gesehen. Er späht über seine Brille hinweg auf ein mattschwarzes Kristallrechteck von der Größe einer Fingerspitze. Es hat handgelötete Drähte an den Rändern und feine Zickzacks aus Aluminium auf seiner Oberfläche. Und in der Mitte des Chips, in einem Bereich von weniger als einem Mikrometer Durchmesser, berichtet Willett, dass er nicht-Abelsche Anyons entdeckt hat. Wenn er recht hat, ist Willett weiter als jeder andere, der mit Microsoft zusammenarbeitet. Und in seiner Reihe kleiner, abgenutzter Labore bereitet er sich jetzt darauf vor, das zu bauen, was – wenn es funktioniert – das erste topologische Qubit der Welt sein wird. Wir machen jetzt den Übergang von der Wissenschaft zur Technologie, sagt er. Seine Bemühungen haben historische Echos. Den Korridor von seinen Labors hinunter befindet sich eine Glasvitrine mit dem ersten Transistor darin, der 1947 an dieser Stelle hergestellt wurde.

Willetts Gerät ist eine Version eines Designs, das Microsoft größtenteils aufgegeben hat. Als das Projekt des Unternehmens begann, hatten Freedman und seine Mitarbeiter festgestellt, dass es möglich sein sollte, ein topologisches Qubit mit Kristallen aus hochreinem Galliumarsenid zu bauen, die Elektronen einfangen. Aber in vier Jahren Experimenten fanden die von Microsoft unterstützten Physiklabore keine schlüssigen Beweise für nicht-Abelsche Anyonen. Willett hatte jahrelang an ähnlicher Physik gearbeitet, und nachdem er eine Abhandlung von Freedman über das Design gelesen hatte, beschloss er, es selbst zu versuchen. In einer Reihe von Artikeln, die zwischen 2009 und 2013 veröffentlicht wurden, berichtete er, dass er diese entscheidenden Partikel in seinen eigenen kristallbasierten Geräten gefunden hat. Wenn ein Kristall mit flüssigem Helium auf weniger als 1 Kelvin (−272,15 °C) gekühlt und einem Magnetfeld ausgesetzt wird, bildet sich in seinem Zentrum eine Elektronenflüssigkeit. Willett verwendet Elektroden, um die Partikel um seinen Rand zu strömen; Wenn es sich um nicht-Abelsche Anyonen handelt, die ihre Gegenstücke in der Mitte umschlingen, sollten sie den topologischen Zustand der Elektronenflüssigkeit als Ganzes ändern. Er hat Ergebnisse aus mehreren verschiedenen Experimenten veröffentlicht, in denen er verräterische Schwankungen im Strom dieser fließenden Teilchen sah, die Theoretiker vorhergesagt hatten. Er ist nun dazu übergegangen, ein Qubit-Design zu erstellen. Es ist nicht viel komplexer als sein erstes Experiment: nur zwei gleiche Schaltkreise, Rücken an Rücken auf demselben Kristall platziert, mit zusätzlichen Elektroden, die Elektronenflüssigkeiten verbinden und Quantenzustände codieren und auslesen können, die das Äquivalent von darstellen 0 s und eins S.

Willett hofft, dass dieses Gerät die Skepsis gegenüber seinen Ergebnissen zerstreuen wird, die sonst niemand replizieren konnte. Microsofts Mitarbeiter Charlie Marcus sagt, Willett habe Signale gesehen, die wir nicht gesehen haben. Willett entgegnet, dass Marcus und andere ihre Geräte zu groß gemacht und Kristalle mit wichtigen Unterschieden in ihren Eigenschaften verwendet haben. Er sagte, er habe dies kürzlich bestätigt, indem er einige Geräte getestet habe, die nach den von anderen Forschern verwendeten Spezifikationen hergestellt wurden. Nachdem ich mit den Materialien gearbeitet habe, mit denen sie arbeiten, kann ich verstehen, warum sie damit aufgehört haben, weil es eine Nervensäge ist, sagt er.

Einer der Kristalle, auf denen Willett nach eigenen Angaben topologische Qubits entdeckt hat.

Bell Labs, heute im Besitz des französischen Telekommunikationskonzerns Alcatel-Lucent, ist kleiner und ärmer als damals, als AT&T, unangefochten als amerikanischer Telefonmonopolist, viele Forscher so ziemlich alles machen ließ, was sie wollten. Einige von Willetts Räumen blicken auf den staubigen, vernarbten Boden, der zurückblieb, als in diesem Jahr ein ganzer Flügel des Labors abgerissen wurde. Aber mit weniger Menschen als vor langer Zeit in den Laboren ist es einfacher, Zugang zu der Ausrüstung zu bekommen, die er braucht, sagt er. Und Alcatel hat begonnen, mehr in sein Projekt zu investieren. Willett arbeitete früher mit nur drei anderen Physikern zusammen, aber seit Kurzem arbeitet er auch mit Mathematikern und Optikexperten zusammen. Das Management von Bell Labs hat nach Problemen gefragt, die mit einer kleinen Anzahl von Qubits gelöst werden könnten. Es entwickelt sich zu einer relativ großen Anstrengung, sagt er.

Willett sieht sich eher als akademischer Kollege der Microsoft-Forscher denn als Konkurrent des Unternehmens, und er wird immer noch zu den zweimal jährlich stattfindenden Symposien von Freedman eingeladen, die Microsoft-Mitarbeiter und andere führende Physiker nach Santa Barbara bringen. Aber das Management von Microsoft war bei den letzten Treffen deutlicher, sagt Willett, und er hatte manchmal das Gefühl, dass seine Zugehörigkeit zu einem anderen Unternehmen die Dinge unangenehm machte.

Es wäre mehr als nur peinlich, wenn Willett Microsoft schlagen würde, um zu beweisen, dass die von ihm verfochtene Idee funktionieren kann. Es wäre überraschend, wenn Microsoft einen praktischen Weg zum Quantencomputing eröffnen würde. Für die verwelkten Bell Labs, die einem Unternehmen gehören, das nicht einmal in der Computerbranche tätig ist, wäre es erstaunlich.

Quantencode

Auf dem grünen Microsoft-Campus in Redmond, Washington, arbeiten Tausende von Softwareentwicklern daran, Fehler zu beheben und Funktionen für Windows und Microsoft Office hinzuzufügen. Touristen posieren im Firmenmuseum für Fotos mit einem lebensgroßen Ausschnitt von Bill Gates aus dem Jahr 1978 und seinen ersten Mitarbeitern. Im Hauptforschungsgebäude leitet Krysta Svore ein Dutzend Leute, die an Software für Computer arbeiten, die es vielleicht nie geben wird. Das Team findet heraus, was die erste Generation von Quantencomputern für uns tun könnte.

Die Gruppe wurde gegründet, weil Quantencomputer zwar mächtig wären, aber nicht jedes Problem lösen können. Und nur eine Handvoll Quantenalgorithmen wurde detailliert genug entwickelt, um darauf hinzuweisen, dass sie auf echter Hardware praktikabel sein könnten. Quantencomputing ist möglicherweise sehr disruptiv, aber wir müssen verstehen, wo die Macht liegt, sagt Svore.

Wir glauben, dass es eine Chance gibt, etwas zu tun, das die Grundlage einer ganz neuen Wirtschaft sein könnte.

Kein Quantencomputer wird jemals in Ihre Tasche passen, da Qubits unterkühlt werden müssen (es sei denn natürlich, jemand verwendet einen Quantencomputer, um ein besseres Qubit zu entwerfen). Vielmehr würden sie wie Rechenzentren oder Supercomputer verwendet, um Dienste über das Internet bereitzustellen oder um Probleme zu lösen, die eine Verbesserung anderer Technologien ermöglichen. Eine vielversprechende Idee ist die Verwendung von Quantencomputern für superstarke Chemiesimulationen, die den Fortschritt bei großen Problemen in Bereichen wie Gesundheit oder Energie beschleunigen könnten. Ein Quantencomputer könnte die Realität so genau simulieren, dass er jahrelange mühselige Laborarbeit ersetzen könnte, sagt Svore. Heute wird nach Angaben des Energieministeriums etwa ein Drittel der US-Supercomputerzeit für Simulationen in der Chemie oder den Materialwissenschaften aufgewendet. Svores Gruppe hat einen Algorithmus entwickelt, mit dem selbst ein Quantencomputer der ersten Generation in nur Stunden oder Minuten viel komplexere Probleme bewältigen könnte, wie z. B. das virtuelle Testen eines Katalysators zum Entfernen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Es ist eine potenzielle Killeranwendung von Quantencomputern, sagt sie.

Aber es ist möglich, sich unzählige andere Killeranwendungen vorzustellen. Svores Gruppe hat einige der ersten Beweise dafür erbracht, dass Quantencomputer für maschinelles Lernen verwendet werden können, eine Technologie, die für Microsoft und seine Konkurrenten immer wichtiger wird. Die jüngsten Fortschritte in der Bild- und Spracherkennung haben einen Rausch neuer Forschungen im Bereich der künstlichen Intelligenz ausgelöst. Aber sie verlassen sich auf Cluster von Tausenden von Computern, die zusammenarbeiten, und die Ergebnisse bleiben immer noch weit hinter den menschlichen Fähigkeiten zurück. Quantencomputer könnten die Grenzen der Technologie überwinden.

Arbeiten wie diese helfen zu erklären, wie das erste Unternehmen, das einen Quantencomputer baut, einen Vorteil erlangen könnte, der in der Geschichte der Technologie praktisch beispiellos ist. Wir glauben, dass es eine Chance gibt, etwas zu tun, das die Grundlage einer ganz neuen Wirtschaft sein könnte, sagt Peter Lee von Microsoft. Erwartungsgemäß sind er und alle anderen, die an Quantenhardware arbeiten, optimistisch. Aber da noch so viel zu tun ist, fühlt sich der Preis so weit entfernt an wie eh und je. Es ist, als befinde sich die Qubit-Technologie in einer Überlagerung zwischen der Veränderung der Welt und der Dekohärenz in nichts weiter als eine Reihe obskurer Forschungsarbeiten. Mit solchen Unwägbarkeiten müssen sich Menschen, die an der Quantentechnologie arbeiten, tagtäglich auseinandersetzen. Aber mit einer so großen Auszahlung, wer kann es ihnen verdenken, dass sie einen Schlag darauf gemacht haben?

Diese Geschichte wurde am 10. Oktober aktualisiert, um einen irrtümlichen Hinweis auf eine Büste von Thomas Edison zu löschen.

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