Superposition

Künstliche Intelligenz verlangt nach sehr leistungsfähigen Rechnern. Deshalb entwickelt Hartmut Neven bei Google den Quantencomputer. Eine Annäherung

Die folgende Geschichte über den Quantencomputer hat einen einfachen, einen schwierigen und einen unglaublichen Teil. Beginnen wir mit dem einfachen Teil und stellen Hartmut Neven vor.

Ein Freitag im vergangenen Sommer, in Deutschland geht die Sonne unter, während sie in Kalifornien gerade aufgegangen ist. Der Computerwissenschaftler Hartmut Neven betritt einen Konferenzraum des »Quantum Artificial Intelligence Lab« von Google in Venice Beach, sehr nah am Pazifik. Er knipst den Computer samt zugehöriger Kamera an und wartet, bis sein Bild auf einem Computerbildschirm in Deutschland erscheint. Da ist es. Neven lächelt und sagt: »Schönen guten Tag.« Er schiebt noch einmal das Objektiv für das anstehende Videointerview zurecht. Hartmut Neven steht vor einem Whiteboard, wie es Dozenten benutzen. Er trägt ein schwarzes Poloshirt, den Kragen hochgestellt, eine Sonnenbrille klemmt auf seiner Stirn. Ein angenehm legeres Auftreten für einen Wissenschaftler. Hartmut Neven studierte Physik und Wirtschaft, schrieb seine Doktorarbeit an der Bochumer Ruhr-Universität, war Professor für Computerwissenschaften an der University of Southern California, kurz USC, wo er sich zuletzt mit Mensch-Maschine-Interaktionen befasste. Neven mag diese Schnittstellen. Schon in seiner Diplomarbeit am Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik interessierte er sich für die Grundlagen der Objekterkennung: Kann man Computern beibringen, Dinge so zu erkennen wie Menschen? Hartmut Neven ist nicht nur neugierig, sondern auch umtriebig und gründet zwei Unternehmen, die sich mit maschinellem Sehen befassen. Eines davon, Neven Vision, wird vor zwölf Jahren von Google gekauft. Und auch beim neuen Arbeitgeber bleibt Hartmut Neven seiner alten Leidenschaft treu: Er ist maßgeblich an der Entwicklung von Google Glass beteiligt, einer Brille mit integriertem Computer, die durch Sprache gesteuert wird. Außerdem interessiert sich der deutsche Forscher sehr für die Entwicklung eines Quantencomputers. Es ist nämlich so:

Alle Vorhaben, in denen künstliche Intelligenz Verwendung findet, brauchen starke Computer.

Das autonome Fahren zum Beispiel. Wenn nachts bei Tempo 100 auf der Bundesstraße ein Reh den Weg eines autonom fahrenden Autos kreuzt, zählt beim Bremsen jeder Sekundenbruchteil. Der Computer muss das Tier möglichst schnell erkennen und die richtigen Schlüsse ziehen. Hartmut Neven fängt an, sich mit den Möglichkeiten des Quantencomputers zu befassen. Und hier beginnt der schwierige Teil dieser Geschichte: Was ist eigentlich ein Quantencomputer?

Hartmut Neven inspiziert den Quantencomputer in Googles »Quantum AI Lab«: Der Rechner wird gekühlt, durch eine Metalllegierung von äußeren Einflüssen abgeschirmt und ist außerdem erschütterungsfrei aufgehängt.

Die Computer, die heute auf Bürotischen oder in Smartphones arbeiten, kennen die Ziffern 0 und 1. Jede Zahl, jedes Wort, jedes Pixel eines Bildes speichern oder verarbeiten sie als Kombinationen von Nullen und Einsen. Die Speicherorte der Nullen und Einsen heißen Bits: Jedes Bit besteht aus einem Transistor, der den Wert Null oder Eins annehmen kann. Im Laufe der Jahrzehnte wurden die Transistoren immer kleiner, sodass immer mehr Bits auf einen Prozessor passten. Inzwischen sind Transistoren fast so klein wie Atome. Die Weiterentwicklung der bekannten Computer stößt also an natürliche Grenzen. Deshalb ist der Quantencomputer so interessant.

Hartmut Neven greift zum Stift und zeichnet Modelle und Formeln an die Tafel in Kalifornien. Er erklärt, dass im Zentrum eines Quantencomputers kein Transistor steckt. Im Herzen eines Quantencomputers können Elektronen oder Ionen oder Atome stecken, die kleinsten Teilchen der Welt, die allesamt der »Quantenmechanik« gehorchen. Diese physikalische Theorie beschreibt, wie sich die kleinsten Teilchen verhalten. Elektronen zum Beispiel können eine sogenannte Superposition einnehmen: Sie können zugleich den Wert 0 oder 1 annehmen und auch parallel mit diesen Werten rechnen. Experten sprechen an dieser Stelle nicht mehr von Bits, sondern von Qubits.

Die Qubits rechnen nur dann richtig, wenn sie nicht gestört werden.

Ein Beispiel deutet an, was Qubits vermögen: Die zwei herkömmlichen Bits 0 und 1 können gemeinsam nur eine der folgenden vier Kombinationen einnehmen: 0-0, 1-1, 0-1 oder 1-0. Zwei Qubits hingegen können wegen ihrer quantenmechanischen Fähigkeiten alle vier Zustände zur selben Zeit einnehmen. Vier Qubits können die Zustände von 16 Bits abbilden, 20 Qubits könnten bereits die potenziellen Zustände von mehr als einer Million Bits einnehmen. Die Rechenkraft der Qubits steigt durch ihre Superpositionsfähigkeit exponentiell.

Hartmut Neven und sein Team arbeiten gerade mit einem Quantencomputer, in dem 72 Qubits zusammengeschaltet sind. Das ist eine Kunst, und Fachleute staunen darüber. Die Qubits rechnen nämlich nur dann richtig, wenn sie nicht gestört werden. Der Quantencomputerchip in Kalifornien ist deshalb von einer magnetischen Metalllegierung umgeben, die störende äußere Einflüsse vom Qubit-Chip abhält. Der Rechner hängt gefedert, damit er nicht erschüttert wird. Er arbeitet im Vakuum und wird bis auf den absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad gekühlt.

Konrad Zuse Computer

Konrad Zuse ist in der Galerie der Computerbauer eine Art Ahn von Hartmut Neven. Der gelernte Bauingenieur entwickelte in den 30er- und 40er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts den ersten funktionstüchtigen Computer der Welt namens Z3. In seinem Buch Der Computer – Mein Lebenswerk schrieb Zuse unter anderem darüber, wie aus seiner Sicht Innovationen zustande kommen: »Ich glaube, dass gerade Vielseitigkeit die Voraussetzung für aus dem Rahmen fallende Ideen ist. Eine solche Idee, ein ›Seitensprung der Technik‹, wenn man so will, war letzten Endes auch der Computer.« Der originale Z3 wurde im Zweiten Weltkrieg zerstört. Ein Nachbau ist im Deutschen Technikmuseum in Berlin zu sehen.

Noch kann der Computer nur einfache Rechnungen durchführen, er ist stör- und fehleranfällig. Forscher auf der ganzen Welt arbeiten deshalb an verbesserten, einwandfrei funktionierenden Quantencomputern. Wenn sie dereinst richtig rechnen, könnten die Ergebnisse unglaublich sein. Autobauer etwa stehen schon im Austausch mit Hartmut Neven. Sie warten sehnsüchtig auf den Quantencomputer, weil er ihnen zum Beispiel helfen könnte, die effizienteste Zusammensetzung von Batterien für Elektroautos zu ermitteln – der Computer könnte simulieren, wie sich neue Werkstoffe auf molekularer Ebene verhalten. Quantencomputer könnten auch dazu beitragen, bessere Medikamente zu entwickeln oder den Straßenverkehr zu optimieren. Und natürlich würden sie das autonome Fahren und die Objekterkennung auf eine neue Ebene heben. Vielleicht könnte mithilfe des Quantencomputers auch der Klimawandel gebremst werden, der Hunger eliminiert – überall dort, wo Dinge optimiert werden müssen, könnte ein solcher Rechner in Hochgeschwindigkeit helfen. Viele sagen, das sei Zukunftsmusik. Hartmut Neven lächelt. Er ist da optimistischer.

Fotografie: Graham Walzer, actionpress, mauritius images

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