Quantencomputer arbeiten nach grundlegend anderen Prinzipen als klassische Maschinen. Während traditionelle Computer Bits verarbeiten, die entweder 0 oder 1 sind, nutzen Quantenrechner Quantenbits, auch Qubits genannt, die dank der Superposition in einem kontinuierlichen Zustandsraum existieren können. Wenn Qubits verzahnt werden, beeinflusst eine Änderung eines der anderen unmittelbar, was es ermöglicht, viele Berechnungen parallel durchzuführen und zu exponentiellen Leistungssteigerungen für bestimmte Probleme führt.
Technische Hürden sind noch immer erheblich. Qubits sind extrem empfindlich gegenüber äusseren Störungen, so dass die Fehlerkorrektur einen grossen Teil der Rechenressourcen beansprucht. Aktuelle Architekturen benötigen oft Hunderte physikalischer Qubits, um einen einzigen logischen Qubit zu realisieren, der zuverlässige Berechnungen durchführen kann. Die Anzahl der Qubits zu erhöhen, verstärkt den Fehlerkorrekturaufwand und erschwert die genaue Manipulation atommischer Komponenten.
Es werden mehrere technologische Ansätze verfolgt: IBM und Google konzentrieren sich auf supraleitende Qubits, die spezielle Chips auf die Ebene des absoluten Nullpunkts kühlen, um störungsfreies Stromfluss zu erreichen. Diese Methode erfordert eine umfangreiche Kühlinfrastruktur und intensive Fehlerkorrektur. Ion-Fangsysteme, die von anderen Firmen verwandt werden, fassen elektrisch geladene Atome in elektromagnetischen Feldern ein und manipulieren sie mit Lasern oder Mikrowellen. Sie benötigen weniger Ressourcen für die Fehlerkorrektur, sind jedoch beim Ausweiden der Qubit-Zahl vor Herausforderungen gestellt. Das deutsche Startup PlanQC experimentiert mit neutralen Atomen, die mit optischen Tweezern gehalten werden, während der Konkurrent SaxonQ ein mobiles Gerät entwickelt hat, das Qubits im Stil von Ion-Fangeinheiten in einem Diamantkristall integriert. Microsoft entwickelt topologische Qubits auf der Grundlage von Majorana-Partikeln, die theoretisch besser gegen Umgebungsgeräusche widerstehen. Photonische Qubits, die mit Lichtpartikeln arbeiten, werden ebenfalls weiter untersucht, aber bisher konnte sich kein einziger Ansatz durchsetzen.
Die deutsche Bundesregierung hat ein Förderprogramm im Umfang von 640 Millionen Euro zur Beschleunigung der Entwicklung von Quantencomputern angekündigt. Ziel des Programms ist die Unterstützung von Forschungsarbeiten, der Entwicklung von Prototypen und der Überführung zukünftiger Technologien in den kommerzielle Bereich.
Die möglichen Anwendungsbereiche gehen über die reine Berechnung hinaus. Experten nennen Kryptographie, Betrugsidentifikation im Finanzbereich, optimales Routing für die Logistik und die Schulung künstlicher Intelligenz-Modelle als Gebiete, in denen ein quantenbasierter Vorteil entstehen könnte. Hybridquanten-klassisches Computing, das von Startups wie Terra Quantum betrieben wird, führt quantenoptimierte Software auf herkömmlichen Hochleistungscomputern aus, und bietet bereits moderate Geschwindigkeitvorteile, bis vollständig funktionsfähige quantenbasierte Hardware verfügbar ist.
Trotz fortschrittlicher technologischer Entwicklungen bleiben Quantencomputer in ihrem Einsatz noch weitgehend experimentell. Fehlquoten und Skalierbarkeit stellen immer noch Einschränkungen für einen weit verbreiteten Einsatz dar. Die anhaltende öffentliche und private Investition verfolgt das Ziel, diese Hindernisse zu überwinden und die langfristigen Potenziale dieser Technologie zu nutzen.
