Wie kleinste Teilchen grösste Fragen lösen könnten

Wenn man zu den kleinsten Materieteilchen vordringt, tritt man in eine Welt mit eigenen Regeln ein. Es ist wie ein eigenes Universum aus Seifenblasen, die vielfarbig schimmern, synchron tanzen und rasch wieder in sich zusammenfallen. Bloss nicht berühren. Und doch könnte diese flüchtige, instabile Welt prädestiniert sein, die komplexesten Aufgaben zu lösen.

Lukas Bischof hat an der ZHAW in Winterthur Informatik studiert und sich in der Quantenwelt Schritt für Schritt vorangetastet. In seiner Masterarbeit, die er diesen Sommer abgeschlossen hat, konnte er mit eigenen Mitteln nachweisen, woran grosse Tech-Unternehmen schon länger forschen: Quantencomputer können bei gewissen Rechenaufgaben traditionelle Supercomputer bereits jetzt ausstechen.

In der Praxis angekommen

«Bei der Mustererkennung war der Quantencomputer nicht nur schneller, sondern benötigte auch weniger Daten», erklärt Lukas. Gleichzeitig räumt er ein: «Quantencomputer sind noch nicht so weit, dass sie ein breites Themenfeld verlässlich alleine lösen können.» Er ist überzeugt, dass auch in Zukunft eine Arbeitsteilung zwischen traditionellen und Quanten-Computern gefragt sein wird.

Doch was führt dazu, dass Quantencomputer schneller sind? Anstelle von Bits arbeiten Quantencomputer mit Quantenbits, sogenannten Qubits. Während Bits den Wert 0 oder 1 annehmen können, können Qubits auch alle Werte dazwischen annehmen. Diesen Zustand nennt man auch Superposition. Er erlaubt es, dass Quantencomputer verschiedene Rechenoperation gleichzeitig ausführen können, während traditionelle Computer Schritt für Schritt vorgehen.

Noch viel Forschung nötig

«Im Moment stehen wir bei der Programmierung von Quantencomputern etwa da, wo wir im Bereich Machine Learning vor zehn Jahren gestanden sind», erklärt Kurt Stockinger, der an der ZHAW und an der Universität Zürich Computerwissenschaften und Data Science lehrt. Er betreute die Arbeit von Lukas zusammen mit Rudolf Füchslin und Pavel Sulimov von der ZHAW.

«Wir wissen noch viel zu wenig, wo welche Programmieransätze am besten eingesetzt werden», erklärt Stockinger. Er wünscht sich, dass im Bereich der Software noch mehr geforscht wird.

Dass die eigentümliche Welt der Quanten zum Teil weit weg ist von unserer logischen Erfahrungswelt, unterstreicht auch Lukas. «Beim Programmieren muss ich mich immer wieder in neue Konzepte reindenken». Gepackt hat ihn die Quantenwelt dennoch. Er konnte bereits eine Arbeit im renommierten Wissenschaftsmagazin «Nature Scientific Reports» veröffentlichen und überlegt sich, noch ein Doktoratsstudium anzuhängen.

Grosses Potenzial im Bereich Energie

Die Natur der Quantencomputer macht sie besonders geeignet für Modellierungen auf der atomaren Ebene. Die Wechselwirkungen, die zwischen verschiedenen Molekülen wirken, sind auch zentral für viele Fragen im Energiebereich. Wie bauen wir eine effizientere Solarzelle? Wie können wir verschiedene Energieformen umwandeln? Quantencomputer könnten hier einst neue Antworten liefern.

Noch im experimentellen Stadium befindet sich die Fusionsforschung für die Energiegewinnung. Denkbar ist, dass wir hier auf der Erde dank neuer computergestützter Erkenntnisse einst die gleichen Mechanismen für die Energieerzeugung nutzen werden, die auch in der Sonne aktiv sind.

Offene Entwicklung

In den vergangenen Jahren haben uns Fortschritte im Bereich Machine Learning sowie neue Supercomputer die Wunderwelt der Künstlichen Intelligenz gebracht. Es ist nicht ausgeschlossen, dass in den kommenden Jahren ähnliche technologische Sprünge auch im Bereich des Quantencomputings möglich sein werden. Noch gleichen die Antworten der kleinsten Teilchen einem Rauschen. Mit Studenten und Forschenden dürften sie jedoch schon bald eine klarere Sprache sprechen. Auch mit dir? Erfahre mehr dazu, wie du mit technischen Ausbildungen etwas bewirken kannst.