Quantenparallelismus

Quantenparallelismus ist der Grund, warum Quantencomputer bestimmte Probleme schneller lösen können als klassische Rechner. Ein System aus n Qubits in Superposition repräsentiert 2^n Zustände gleichzeitig. 50 Qubits repräsentieren also über eine Billiarde Zustände parallel, mehr als ein Petabyte klassischer Speicher fassen könnte.

Man kann eine Berechnung einmal ausführen, und sie wirkt auf alle 2^n Zustände gleichzeitig. Das klingt nach dem ultimativen Parallelrechner, ist aber komplizierter. Bei der Messung kollabiert das System in einen einzigen Zustand. Die Kunst der Quantenalgorithmik liegt darin, die Interferenz zwischen den Zuständen so zu steuern, dass die richtige Antwort mit hoher Wahrscheinlichkeit gemessen wird und falsche Antworten sich auslöschen.

Konkret genutzt wird das in Peter Shors Faktorisierungsalgorithmus von 1994, der große Zahlen in Primfaktoren zerlegt und damit RSA-Verschlüsselung theoretisch gefährdet, und in Lov Grovers Suchalgorithmus von 1996, der eine unsortierte Datenbank quadratisch schneller durchsucht als jedes klassische Verfahren.

Der Physiker David Deutsch, einer der Begründer der Quanteninformatik, vertritt eine radikale Deutung: Für ihn beweist der Quantenparallelismus, dass die Rechenleistung aus parallelen Universen der Viele-Welten-Interpretation stammt, weil kein System im beobachtbaren Universum genug Rechenschritte für Shors Algorithmus bei sehr großen Zahlen bereitstellen könnte. Die Mehrheit der Physiker bleibt skeptisch, unbestritten ist aber, dass die Mathematik der Quantenmechanik korrekte Vorhersagen liefert, unabhängig vom gewählten Bild der Realität.

Deshalb ist ein Quantencomputer kein universeller Beschleuniger und bietet für die meisten alltäglichen Aufgaben keinen Vorteil. Sein Potenzial liegt bei Problemen mit einer speziellen mathematischen Struktur, die Quanteninterferenz ausnutzen kann.

Gerade der Quantenparallelismus ist die am häufigsten missverstandene Eigenschaft des Quantencomputers. Auf den ersten Blick wirkt er wie ein unendlich schneller Parallelrechner, der alle Antworten auf einmal liefert, doch der Haken liegt in der Messung, bei der nur ein einziger Zustand übrig bleibt. Der Trick besteht darin, die überlagerten Möglichkeiten durch Interferenz so zu lenken, dass sich die richtige Antwort verstärkt. Genau deshalb ist ein Quantencomputer eine hochspezialisierte Maschine für Probleme mit passender mathematischer Struktur, kein Wunderwerkzeug für alles.