World Quantum Day: Heute Wissenschaft, morgen Alltag

Alles, was Sie über Quantencomputer und den Stand der Technik wissen müssen

Am 14. April ist „World Quantum Day“ – ein weltweiter Aktionstag, der zeigen soll, warum Quantenphysik kein abgehobenes Elfenbeinturm-Wissen ist, sondern die Grundlage künftiger Schlüsseltechnologien bildet. Das Datum ist kein Zufall: 4/14 verweist auf die gerundeten Anfangsziffern der Planck‑Konstante, eine der fundamentalsten Zahlen der Physik und Grundpfeiler der Quantenmechanik. Doch was steckt hinter der Technologie, die unsere Cybersicherheit bedroht und gleichzeitig die Medizin revolutionieren könnte? Ein Überblick.

Was ist ein Quantencomputer?

Ein Bit, wie es in normalen Computern verwendet wird, kennt nur zwei Zustände: Entweder fließt Strom (1) oder nicht (0). Ein Qubit kann mehr als einen Zustand haben. Das ist vergleichbar mit einer in die Luft geworfenen Münze, die herumwirbelt. Solange Sie nicht angehalten wird, ist ihr Zustand weder Kopf noch Zahl und kann alles dazwischen sein. Das sorgt für massive Parallelität und es lassen sich potenziell unendlich viele Datenpunkte in mehrdimensionalen Räumen abbilden.

Stellen Sie sich ein Labyrinth vor; Sie suchen den Ausgang. Ein klassischer Computer ist wie eine kleine Maus, die jeden Gang nacheinander absucht, bis sie den Ausgang findet. Das dauert lange. Ein Quantencomputer ist eher wie ein Nebel, der sich gleichzeitig in alle Gänge des Labyrinths ausbreitet. Er „weiß“ quasi sofort, wo der Ausgang ist.

Zudem können die Qubits miteinander vernetzt (verschränkt) werden. Ändert sich der Zustand eines Qubits, hat das Auswirkungen auf die verschränkten Qubits. Auf diese Weise entsteht ein riesiges, hochgradig korreliertes System. Eine Änderung an einem Punkt beeinflusst sofort das gesamte System.

Google-Doodles sind sehr selten geworden, doch heute zelebriert das Unternehmen den Welttag der Quanten bzw. den Welttag der Quantenphysik mit einer Darstellung zweier (nicht verschränkter) Qubits.

Schrödingers Katze

Zunächst ist ein Quantencomputer wie eine Black Box: Wir wissen nicht, welchen Zustand die Qubits darin gerade haben. Allerdings “probiert” ein Quantencomputer nicht einfach alles gleichzeitig aus. Mithilfe von Überlagerung kann der Algorithmus eines Quantencomputers so programmiert werden, dass sich falsche Ansätze gegenseitig auslöschen und die richtige Lösung verstärkt wird (konstruktive Interferenz). Am Ende "kollabiert" das System, und mit extrem hoher Wahrscheinlichkeit kommt das richtige Ergebnis heraus.

Spezialisten für Komplexität

Schnelligkeit und hohe Parallelisierung bei vergleichsweise geringem Energiebedarf machen Quantencomputer für bestimmte Anwendungsfälle wie Studien zur Wirksamkeit oder zu den Nebenwirkungen neuer Medikamente sowie zur Entwicklung neuartiger Impfstoffe auf Proteinbasis sehr wertvoll.

Weitere Anwendungsbereiche sind Strömungsdynamik, Logistik oder Materialforschung. Wir könnten Supraleiter finden, die Strom ohne Verlust leiten, oder effizientere Batterien für die E-Mobilität entwickeln oder die perfekte Route für 10.000 LKWs zur gleichen Zeit berechnen, um CO2 und Zeit zu sparen.

So großartig das alles klingt, so klar sind auch die Grenzen. Quantencomputer sind keine Universalrechner und nicht geeignet für Office-Programme, Datenbanken oder klassische Business‑Software – und auch Fortnite läuft auf einem Quantencomputer nicht flüssiger.

Jon France, CISO von ISC2, bestätigt: “Quantencomputing wird oft als ein einziger Durchbruch dargestellt, doch die Realität ist differenzierter. Wir bewegen uns nicht auf eine Welt zu, in der es nur noch Quantensysteme gibt, sondern auf eine, in der Quantencomputing, klassisches Computing und KI je nach Problemstellung jeweils unterschiedliche Rollen spielen.”

Die Herausforderung liege nicht nur in der Hardware, sondern darin, Anwendungen, Software und Infrastruktur so aufeinander abzustimmen, dass zuverlässig aussagekräftige Ergebnisse erzielt werden. “Bis diese Teile zusammenkommen, wird ein kommerziell erhältlicher Quantencomputer zwar leistungsstark, aber hochspezialisiert bleiben”, ist France überzeugt.

Risiken und Nebenwirkungen.

Der Vorteil der Qubits ist zugleich auch ihr größter Fluch: die Frustration des Spin-Glases. Anders als bei einem Bit im klassischen Computing lassen sich in einem Qubit die Zustände weder so einfach herstellen noch dauerhaft festhalten. Qubits reagieren auf alles: Wärme, Erschütterung, sogar Strahlung. Wird ein Qubit „aus der Ruhe gebracht“, kann die gesamte Berechnung zusammenbrechen. Quantenrechner werden daher gern in Vakuumkammern “eingesperrt”.

Um einen einigermaßen kohärenten Zustand in einem Qubit zu erreichen, sind extrem niedrige Temperaturen erforderlich. Die meisten Systeme arbeiten bei fast -273 Grad Celsius, was die Kühlung extrem teuer und aufwendig macht. Zwar lassen sich niederenergetische (auch metastabile) Zustände noch anders herstellen. Die Reproduktion in einem programmierbaren System gehört aber nach wie vor zu den zentralen Herausforderungen in der Quantenoptimierung.

Die fortschreitende Entwicklung von Quantencomputern stellt zudem eine ernsthafte Bedrohung für gegenwärtige Verschlüsselungsmethoden dar. Ein ausreichend starker Quantencomputer ist potenziell in der Lage, derzeit gängige Public-Key-Kryptographieverfahren oder Kryptografie auf Basis elliptischer Kurven (ECC) innerhalb kürzester Zeit zu knacken.

Harvest Now, Decrypt Later

Klassische Public-Key-Kryptoverfahren beruhen auf dem Faktorisieren großer Zahlen (RSA) oder dem Berechnen diskreter Logarithmen (Diffie-Hellman). Quantencomputer können mathematische Probleme viel schneller lösen als selbst die leistungsfähigsten herkömmlichen Computer.

Bereits 1994 entdeckte Peter Shor einen Quantenalgorithmus, der große Zahlen exponentiell schneller faktorisieren kann als jedes andere bekannte Verfahren. Ein 1996 vom indischen Informatiker Lov Grover entwickelter Algorithmus verbessert und beschleunigt die Suche in unstrukturierten Datenbanken – z. B. zum Auffinden kryptografischer Schlüssel.

Die sogenannte Post-Quanten-Kryptographie (PQC) ist die neue Generation der Verschlüsselung. Sie basiert auf mathematischen Problemen, an denen sich auch Quantencomputer die Zähne ausbeißen (z. B. gitterbasierte Kryptographie).

Die Migration auf quantenresistente Verschlüsselungsverfahren ist kein IT-Projekt, sondern eine Sicherung der Geschäftsfortführung. Angreifer stehlen heute bereits verschlüsselte Daten, um sie in ein paar Jahren, wenn die Hardware bereit ist, zu entschlüsseln. Wer jetzt nicht umstellt, riskiert die Integrität seiner Daten für die nächsten Jahrzehnte.

"Der Zeitplan bis zum Q-Day verkürzt sich”, warnt France. “Das Risiko von Angriffen, bei denen Daten jetzt gesammelt und später entschlüsselt werden, zwingt Unternehmen bereits dazu, anders über den Schutz sensibler, langfristig gespeicherter Daten nachzudenken.

Stand der Technik

2026 befinden wir uns in der NISQ-Ära (Noisy intermediate-scale quantum (NISQ) computing) und einer Early-Fault-Tolerant-Era. Die 1.000-Qubit-Marke wurde stabil überschritten; die Fehlerkorrektur funktioniert immer besser. Wir sehen erste Pilotprojekte in der Chemieindustrie, bei denen Quantencomputer echte Probleme bei der Katalysatorentwicklung lösen, die klassische Supercomputer Monate gekostet hätten.

Wichtige Player und Meilensteine sind:

Majorana 1 ist Microsofts erster Quantenprozessor (QPU), der auf topologischen Qubits basiert und als Wegbereiter für fehlertolerantes Quantencomputing gilt. Er nutzt spezielle Materialien und ist auf eine Skalierung bis zu einer Million Qubits ausgelegt. Der Chip verspricht, die Zeitachse für wirklich wirkungsvolle Quantencomputer um Jahre – und nicht um Jahrzehnte – zu verkürzen.

Mit Chip Willow und dem Quantum Echoes-Algorithmus erzielte Google Quantum AI Ende 2025 einen Durchbruch, bei dem Quantenrechner komplexe Aufgaben 13.000-mal schneller als klassische Supercomputer lösten.

Advantage 3 ist die geplante nächste Generation des Annealing-Quantencomputers von D-Wave. Das System soll mit einer massiven Skalierung auf 100.000 Qubits die Leistung der aktuellen Advantage2-Systeme (4.400+ Qubits) drastisch steigern.

IBM Quantum Loon ist ein experimenteller Quantenprozessor und stellt einen Meilenstein in der Entwicklung einer skalierbaren, fehlertoleranten Quantencomputerarchitektur dar.

Die mobilen Quantencomputer SaxonQ und XeedQ funktionieren bei Raumtemperatur in jeder Büro- oder Industrieumgebung.

planqcist ein 2022 gegründetes Deep-Tech-Start-up aus Garching bei München, das Quantencomputer auf Basis neutraler Atome entwickelt. Im Gegensatz zu vielen anderen Ansätzen, die extrem tiefe Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt benötigen, funktioniert diese Technologie robuster, potenziell bei höheren Temperaturen und ist besser skalierbar.

IonQund Quantinuumsind führend in der Ionenfallentechnologie und bieten eine sehr hohe Rechengenauigkeit, die für präzise Berechnungen entscheidend ist. Quantinuum erreichte weltweit mit 99,9975 % eine der höchsten Gatter-Trefferraten (Fidelity).

Fazit

Quantencomputer sind kein Spielzeug mehr, sondern eine strategische Zukunftstechnologie – mit enormem Potenzial und ganz realen Konsequenzen für Sicherheit, Wirtschaft und Politik. Der heutige World Quantum Day erinnert uns daran, dass wir die Spielregeln der digitalen Welt neu schreiben (müssen).