Die vorangehenden Artikel lassen sowohl aus der geschichtlichen, revolutionären Perspektive der Quantenmechanik wie aus ihrer Unerklärbarkeit aus intuitivem Verständnis heraus – mathematisch kann man sie ja erfassen – erahnen, warum Quantencomputer heute eine Faszination ausüben. Sie versprechen faszinierende Rechenleistungen. Bislang existieren sie allerdings vorwiegend in experimentellen Ausführungen. Eine deutliche „Quantenüberlegenheit“ (quantum supremacy) der experimentellen Quantencomputer lässt noch auf sich warten – wohl aber nicht mehr lange.

Damit sind Computer denkbar, deren Leistung alles in den Schatten stellt, was heutige – und künftige – Supercomputer mit konventioneller Siliciumtechnik erreichen – zumindest für ausgesuchte Probleme. Dass das erste davon auch noch den sehr sensiblen Bereich verschlüsselter, geheimer Botschaften betraf, hat einen Konkurrenzkampf unter Wissenschaftlern und Nationen ausgelöst, der gerade richtig in Fahrt kommt. Eine besonders wichtige Anwendung wird in der Wahrnehmung oft vernachlässigt: Die Chemie. Gerade sie kann von Quantencomputern profitieren. Nicht vergessen: Als eines der ersten wurde das Wasserstoff-Molekül quantenchemisch untersucht und berechnet, und zwar 1927 von den deutschen Wissenschaftlern Walter Heitler und Fritz London.

Etwas Historie und das Prinzip

Was ist also ein Quantencomputer? Nun, dabei handelt es sich um einen Prozessor, dessen Funktion auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruht. Er arbeitet also nicht auf der Basis der Gesetze der klassischen Physik bzw. Informatik, sondern mit quantenmechanischen Zuständen. Entscheidend für seine Funktion sind das Superpositionsprinzip (d. h. die quantenmechanische Kohärenz) sowie die Quantenverschränkung – was ihn für bestimmte Problemlösungen äußerst effizient macht.

Motivation durch den Shor-Algorithmus

Darauf gekommen ist zunächst der US-Mathematiker und Informatiker Peter Shor (geb. 1959). Er promovierte am MIT in Boston. Nach einem Jahr als Post-Doc in Berkeley nahm er eine Stelle am Bell Lab in Murray Hill, New Jersey, an. Dort entwickelte er in den 1990er Jahren den nach ihm benannten Algorithmus. Dabei handelt es sich um einen exponentiell schnellen Faktorisierungsalgorithmus. Dieser nutzt die sehr großen parallelen Rechenfähigkeiten eines Quantencomputers aus, beruhend auf dem Superpositionsprinzip von Wellenfunktionen in der Quantenmechanik. Der Shor-Algorithmus ist für die Kryptographie sehr bedeutend, weil er einen nichttrivialen Teiler – die Zerlegung einer Zahl in Primfaktoren, eine Basis der Verschlüsselungsmmethodik – wesentlich schneller findet als klassische Algorithmen. Während diese subexponentielle, jedoch deutlich höher als polynomielle Laufzeit benötigen, hat der Shor-Algorithmus nur polynomielle Laufzeit.