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Quantencomputer: Geschichte, Funktionsweise und aktueller Stand
Vom Gedankenexperiment der 1980er-Jahre bis zu den Prozessoren mit über hundert Qubits, mit denen IBM und Google heute jonglieren. Kompakt, mit Quellen belegt, ohne Sachbuchton.
Die Geschichte des Quantencomputers
Die Idee des Quantencomputers entstand nicht in einem Labor, sondern auf einer Konferenz. Im Mai 1981 hielt der Physiker Richard Feynman auf der „First Conference on the Physics of Computation“ am MIT einen Vortrag, in dem er argumentierte, dass sich Quantensysteme mit klassischen Computern nicht effizient simulieren lassen. Sein Vorschlag: einen Computer bauen, der selbst nach den Regeln der Quantenmechanik arbeitet. Zusammen mit Paul Benioff gilt er als Urvater des Konzepts, wie auch Wikipedia zur Geschichte der Quantencomputer dokumentiert.
Aus der Theorie wurde erst Jahrzehnte später Praxis, und zwar in eher zähen Schritten. Die Zeitleiste unten zeigt, wie es vom Gedankenexperiment zum echten Quantenprozessor ging.
1981
Richard Feynman schlägt auf einer MIT-Konferenz das Grundprinzip des Quantencomputers vor.
1994
Peter Shor veröffentlicht den nach ihm benannten Algorithmus zur Primfaktorzerlegung, bis heute das bekannteste Beispiel für einen möglichen Quantenvorteil.
1998
Erster funktionierender Quantencomputer mit zwei Qubits auf Basis von Chloroform-Molekülen, umgesetzt im NMR-Verfahren.
2001
IBM demonstriert den Shor-Algorithmus mit sieben Qubits und zerlegt die Zahl 15 korrekt in 3 mal 5.
2011
Die Universität Innsbruck hält 14 verschränkte Calcium-Atome stabil in einer Ionenfalle.
2019
Googles 53-Qubit-Chip „Sycamore“ beansprucht erstmals „Quantum Supremacy“. IBM stellt mit dem Q System One den ersten kommerziellen Quantencomputer vor.
2021 bis 2022
IBM skaliert auf 127 Qubits (Eagle) und 433 Qubits (Osprey).
2024
Google präsentiert den Chip „Willow“ mit 105 Qubits und einem viel beachteten Durchbruch bei der Quantenfehlerkorrektur.
2025 bis 2026
IBM stellt den Prozessor „Nighthawk“ vor und peilt für Ende 2026 einen praktischen Quantenvorteil an.
Was dabei auffällt: Zwischen der Idee von 1981 und dem ersten funktionierenden Quantencomputer von 1998 lagen fast zwei Jahrzehnte Funkstille. Seither hat die Entwicklung spürbar an Tempo zugelegt.
Wie funktioniert ein Quantencomputer?
Klassische Computer rechnen mit Bits, die entweder 0 oder 1 sind, an oder aus, fertig. Ein Quantencomputer nutzt stattdessen Qubits, und die spielen nach ganz anderen Regeln, wie unter anderem Welt der Physik in ihrer Einführung zu Quantencomputern gut erklärt.
Superposition: mehrere Zustände gleichzeitig
Dank der Superposition kann sich ein Qubit nicht nur im Zustand 0 oder 1 befinden, sondern in einer Überlagerung aus beidem. Eine anschauliche Analogie: Ein Qubit ist wie eine Münze, die noch in der Luft wirbelt. Erst wenn sie landet, also gemessen wird, legt sie sich eindeutig auf Kopf oder Zahl fest. Diese Eigenschaft erlaubt es, viele Rechenwege gleichzeitig zu erkunden.
Verschränkung: Qubits, die zusammenhängen
Verschränkung beschreibt eine Kopplung zwischen zwei oder mehr Qubits, bei der sich der Zustand des einen unmittelbar auf den anderen auswirkt, selbst wenn sie physisch getrennt sind. Verschränkte Qubits lassen sich nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben und bilden gemeinsam ein Gesamtsystem.
Quantengatter und Dekohärenz
Berechnungen laufen über Quantengatter ab, physikalisch umgesetzt etwa durch präzise Laserpulse oder Mikrowellenimpulse, die den Zustand der Qubits gezielt verändern. Die größte technische Hürde dabei ist die Dekohärenz: Qubits verlieren durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung sehr schnell ihren empfindlichen Quantenzustand. Ein Großteil der aktuellen Forschung, etwa bei Googles Willow-Chip, dreht sich deshalb um bessere Fehlerkorrektur statt nur um mehr Qubits.
Warum das Ganze überhaupt schneller sein soll
Je mehr Qubits sinnvoll verschränkt und überlagert werden können, desto mehr Zustände lassen sich parallel erkunden. Die Rechenkapazität wächst dadurch potenziell exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Das gilt allerdings nur für bestimmte, speziell dafür konstruierte Algorithmen, nicht für Computeraufgaben im Allgemeinen.
Aktueller Entwicklungsstand
2026 gilt in der Branche als das große Übergangsjahr: weg von reinen Show-Demos im Labor, hin zu einem echten Quantum Advantage, also einem nachweisbaren praktischen Nutzen gegenüber klassischen Supercomputern. Ob das Jahr diesem Anspruch gerecht wird, ist offen, hier steht nur, wer aktuell wie weit ist.
IBM
IBM hat seine Roadmap konsequent umgesetzt: von 127 Qubits (Eagle, 2021) über 433 Qubits (Osprey, 2022) bis zu den aktuellen Prozessoren Heron mit bis zu 156 Qubits und dem neuen Chip Nighthawk mit 120 Qubits und 218 Kopplern in verbesserter Gitterstruktur. Details veröffentlicht IBM auf der offiziellen IBM-Quantum-Hardwareseite sowie in der IBM-Quantum-Roadmap. Ziel ist ein praktischer Quantenvorteil bis Ende 2026.
Googles Chip Willow mit 105 Qubits, vorgestellt im Dezember 2024, sorgte für Aufsehen, weil er eine spezielle Testberechnung (Random Circuit Sampling) in rund fünf Minuten löste. Eine Aufgabe, für die der schnellste klassische Supercomputer nach Googles eigenen Angaben etwa 10 Septillionen Jahre benötigen würde. Mindestens genauso wichtig: Willow zeigte erstmals, dass sich Fehlerraten mit zunehmender Anzahl an Qubits exponentiell senken lassen. Die Originalveröffentlichung findet sich im offiziellen Google-Blog zu Willow.
Quantum Supremacy und Quantum Advantage sind nicht dasselbe
Quantum Supremacy, 2019 von Google mit Sycamore beansprucht, bedeutete nur: ein Quantencomputer löst irgendeine, meist praktisch nutzlose Testaufgabe schneller als jeder klassische Rechner. Quantum Advantage, das eigentliche Ziel für 2026, meint dagegen einen Vorteil bei einem echten, nützlichen Problem, etwa in der Materialforschung, Chemie oder Optimierung.
Mythen, Fakten und Glossar
Kaum ein Technologiethema wird so sehr von Übertreibungen begleitet wie Quantencomputing. Diese Übersicht ordnet die wichtigsten Aussagen ein, unter anderem gestützt auf Einordnungen von Produktion.de und NTT DATA.
Mythos
„Quantencomputer ersetzen bald normale Computer.“ Falsch. Quantencomputer sind Spezialwerkzeuge für bestimmte mathematische Probleme, etwa in Materialforschung, Logistik und Finanzanalyse. Für E-Mails, Videos oder Tabellenkalkulationen bleiben klassische Computer auf absehbare Zeit die bessere Wahl.
Mythos
„Quantencomputer knacken bald jedes Passwort.“ Die eigentliche Gefahr betrifft nicht Passwörter direkt, sondern bestimmte Verschlüsselungsverfahren. Mit der Post-Quanten-Kryptografie gibt es bereits heute Standards, die auch vor zukünftigen Quantenangriffen schützen sollen.
Mythos
„Superposition heißt: alles wird gleichzeitig berechnet.“ Superposition erlaubt es, viele Möglichkeiten parallel zu kodieren. Automatisch alles auf einmal gelöst wird dadurch aber nichts. Nur speziell dafür entwickelte Algorithmen wie der Shor-Algorithmus nutzen diesen Effekt gezielt aus.
Einordnung
Quantencomputing ist noch teuer, das war bei klassischen Computern aber auch so. Frühe Machbarkeitsprojekte kosten heute schnell fünfstellige Summen. Auch die ersten klassischen Computer waren riesig, teuer und ineffizient. Mit wachsender Konkurrenz und technischen Durchbrüchen dürften die Kosten in den kommenden Jahren spürbar sinken.
Kurzglossar
Qubit
Die Grundeinheit der Quanteninformation. Im Gegensatz zum klassischen Bit kann es Zustände überlagern.
Superposition
Ein Qubit befindet sich gleichzeitig in einer Mischung aus Zustand 0 und 1, bis es gemessen wird.
Verschränkung
Kopplung zwischen Qubits, bei der sich ihre Zustände gegenseitig beeinflussen, auch über Distanz.
Dekohärenz
Der Verlust des empfindlichen Quantenzustands durch Störungen aus der Umgebung.
Quantengatter
Eine gezielte physikalische Operation, die den Zustand eines oder mehrerer Qubits verändert.
Quantenvorteil
Der Punkt, an dem ein Quantencomputer ein praktisch nützliches Problem nachweisbar besser löst als jeder klassische Rechner.
Was ein Qubit von einem klassischen Bit unterscheidet und welche physikalischen Bauweisen es dafür gibt, steht ausführlicher im eigenen Beitrag Was ist eigentlich ein Qubit?
Quellen und weiterführende Links: Wikipedia: Quantencomputer · Welt der Physik · IBM Quantum · Google-Blog: Willow · Produktion.de: Mythen im Check