Rechnen mit Eiweißmolekülen, Atomen und Quanten – die Computerzukunft hat gerade erst begonnen!

Quantencomputer, quantenzellulare Automaten, Datenspeicherung in Nanokristallen und Biomolekülen, DNA-basierte organische Superrechner und, und, und… Wer denkt, dass die Entwicklung von Computern ausgereift ist, der irrt – wir stehen gerade erst am Anfang einer Ära, die Ungeahntes ermöglichen wird. Spätestens in 100 Jahren wird ein Computer mit dem, was heutzutage in den Büros und auf Schreibtischen steht, nichts mehr zu tun haben. Die Hardware der neuen Superrechner wird in ihrem Innersten aus DNA, Enzymen und Biomolekülen bestehen. Was dann alles möglich sein wird, ist nur durch die Phantasie der Menschen begrenzt. Die Computerzukunft hat begonnen!

Vor wenigen Jahren gab es ein Jubiläum der besonderen Art: Der erste funktionsfähige Computer der Welt feierte seinen siebzigsten Geburtstag. Konrad Zuses Meisterwerk – der Z3 – war so groß wie ein Wohnzimmerschrank und wog mehr als eine Tonne. Der Z3 war der erste programmierbare Rechner, der mit dem auch heute noch üblichen binären Zahlensystem, also mit Nullen und Einsen, arbeitete. Der damals 30-jährige Berliner Erfinder Konrad Zuse stellte seine Wundermaschine am 12. Mai 1941 der Öffentlichkeit vor. Der Z3 beherrschte lediglich die Grundrechenarten sowie das Wurzelziehen. Für eine simple Multiplikation benötigte er drei Sekunden. Leider zerstörte ein Bombenangriff den Computer im selben Jahr seiner Vorstellung. Viele Jahrzehnte später, genauer gesagt am 12. August 1981 erblickte ein weiterer Kandidat das Licht der Welt – der erste Personal Computer. Und dies sollte sich zu einer wahren Erfolgsstory entwickeln. Der IBM-PC war zwar nicht wirklich der erste PC – es gab schon vorher den Apple I und II – trotzdem wird er als Urvater aller heutzutage eingesetzten Computer bezeichnet. Vor allem lag dies wohl daran, dass IBM seine damalige Marktführung für Großrechner ausnutzte, um IBM-PCs als Arbeitsplatzcomputer in zahlreichen Unternehmen einzuführen.

Nur knapp dreißig Jahre später ist die Anzahl der Rechner auf unserem Planeten nur noch zu schätzen, versehen die dienstbaren „Geister“ ihren unsichtbaren Dienst im Alltag, von uns kaum mehr wahrgenommen. Computer trifft man mittlerweile in Kaffeevollautomaten, Smartphones, Autos, Kühlschränken und einer weiteren nicht endenden Anzahl von Geräten an – von den eigentlichen Rechnern in Unternehmen und Privathaushalten einmal ganz abgesehen. Dank der immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung sind Rechner inzwischen unverzichtbare Bestandteile unseres Alltags. Das amerikanische Marktforschungsunternehmen Gartner Group schätzt, dass es weltweit mehr als 2 Milliarden PCs – Tendenz rapide steigend. Zum Vergleich, was Wachstum in diesem Bereich bedeutet: Im Jahre 1997 gab es weltweit »erst« 272 Millionen PCs und 1970 versahen gerade einmal 7000 Rechenmaschinen ihren Dienst in ausgesuchten Wissenschafts- und Militäreinrichtungen.

Pro Erdenbürger werden heutzutage inzwischen im Schnitt 60 Millionen Transistoren – der Bestandteil einer jeden integrierten Schaltung und damit eines jeden Computers – produziert. Durchschnittlich verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren in einer integrierten Schaltung alle 18 Monate, was übersetzt nichts anderes heißt, dass sich die Leistungsfähigkeit ganz normaler PC im gleichen Zeitraum ebenfalls verdoppelt. Zum Vergleich: Die zur ersten Mondlandung notwendige Rechenleistung könnte heutzutage ganz bequem ein handelsüblicher Notebook aus dem Supermarkt zur Verfügung stellen. Was diese Entwicklung begünstigte und auch immer noch tut, ist die stetig fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente. Ein Standardspeichermodul beispielsweise mit einer Kapazität von 2 GByte ist heutzutage etwa halb so groß wie eine Kreditkarte, vor 30 Jahren wäre für die gleiche Kapazität eine Fläche von 700 Quadratmetern und der Strombedarf eines ganzen Dorfes notwendig gewesen. So beeindruckend diese Zahlen und Vergleiche auch sein mögen, wir stehen erst am Anfang einer kaum vorstellbaren Entwicklung, was die Rechenleistung von Computern betrifft. Diese Rechner werden dann in der Lage sein, Atomexplosionen zu simulieren, die Entstehung des Weltalls zu klären oder das Wetter von morgen und den kommenden Tage zweifelsfrei und fehlerfrei vorherzusagen. Und es werden völlig andere Rechner sein, die uns künftig umgeben werden!

Die Computerzukunft – rechnen mit DNA-Molekülen, Photonen und Quanten

Wissenschaftler sind sich einig, in den nächsten 100 Jahren könnten vor allem drei mögliche Innovationen die Informationsverarbeitung revolutionieren – DNA-Computer, optische Computer und Quantencomputer. Moderne Hochleistungsrechenanlagen sind leistungsfähig, aber nicht leistungsfähig genug, um kommenden Aufgaben auch nur ansatzweise gewachsen zu sein. Und dies liegt vor allem an einem Übel: Unsere Computer rechnen seriell, sie führen also eine Operation immer nach der anderen aus. Es gibt zwar auch Parallelrechner, aber auch diese sind zu langsam, wenn es beispielsweise darum geht, große Datenmengen zu verschlüsseln oder zu entschlüsseln.

Schon heute forschen Wissenschaftler an Lösungen für dieses Problem, zumal sie auch wissen, dass die Halbleiterminitaurisierung in den kommenden Jahrzehnten an ihre Grenzen stoßen wird – neue Materialien, Architekturen und Ideen sind gefragter denn je. In den Labors der führenden Computerhersteller entwerfen Forscher derzeit die schnellsten Rechner, die unser Planet jemals gesehen hat. Und diese Maschinen rechnen nicht mit Elektronen, sondern mit Photonen, subatomarer Materie und DNA-Strängen, also Eiweißmolekülen, in denen Lebewesen wie wir normalerweise ihre Erbinformationen speichern. In den Laboren dieser Hightech-Schmieden trifft man weniger Ingenieure und Informatiker, sondern vielmehr Physiker, Gentechniker und Molekularbiologen. Die Idee eines DNA-Computers kam in den frühen Neunzigern des letzten Jahrhunderts auf, als ein gewisser Leonard Adleman an der Universität von Südkalifornien auf die verrückte Idee kam, mittels künstlich erzeugter DNA-Stränge ein Mathematikproblem zu lösen. Und die Resultate waren erstaunlich überzeugend. Doch die ernsthafte Realisierung eines DNA-Computers wird noch viele Jahre der Forschung in Anspruch nehmen. Vor allem die Eigenschaft der Eiweißmoleküle, auf unkontrollierbare Weise zu mutieren ist ein sehr großes Problem. Genau diese Mutationen sind es, weswegen ein DNA-Computer im Moment noch eine von 100 000 Rechenoperationen falsch lösen würde – eine nicht akzeptable Quote.

Eine wesentlich längere Historie in Sachen Forschung können optische Computer aufweisen. Hier arbeiten Wissenschaftler nunmehr seit über zwanzig Jahren daran, einen Rechner zu schaffen, der mit Lichtteilchen (Photonen) und nicht mit Elektronen rechnet. Photonen haben einen gewaltigen Vorteil gegenüber Elektronen – sie können sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und stören sich nicht gegenseitig in einem Leiter, dass sie sich frei bewegen können. Elektronen sind langsam und lediglich in der Lage, nur in eine Richtung zu fließen. Trotz aller Hoffnungsschimmer im Bereich der Photonen besteht ein großes Problem. Den Forscher ist es bisher nicht gelungen Daten optisch als Licht zu speichern – eine Grundvoraussetzung für einen optischen Computer. Also auch hier ein Problem, das im Moment noch nicht gelöst werden kann.

Der derzeit hoffnungsvollste Kandidat auf den Superrechner der Zukunft ist der Quantencomputer. Ein Quantencomputer soll Rechenoperationen auf Basis von Quanten (Teilchen die kleiner sind als Atome) durchführen. Subatomare Partikel, wie etwa Elektronen oder Photonen lassen sich laut moderne Physik entweder als Teilchen oder Welle betrachten. Aus genau diesem Grund lässt sich der Aufenthaltsort dieser Teilchen in der Quantenmechanik nur nach den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitsrechnung bestimmen. Einfach gesprochen befinden sich die Teilchen an allen Orten gleichzeitig. Erst wenn sie in Kontakt zu einem anderen Teilchen treten, geben sie etwas über sich preis. Ein zugegeben exotisches Verhalten, was erstaunlicherweise vor allem Computerforscher begeistert. Rechner, egal ob groß oder klein, versehen Ihren Dienst heutzutage auf Basis von Nullen und Einsen – ein elektronischer Schaltkreis ist entweder offen oder geschlossen, der Strom fließt oder nicht. Beides zugleich ist nicht möglich. In der Welt der Quanten aber schon!

Der D-Wave Quantum 2000Q des kanadischen Herstellers D-Wave. © D-Wave Systems Inc.

Auf atomarer Ebene denken Wissenschaftler in »Quantum-Bits«, auch »Qu-Bits« genannt. Und diese Qu-Bits haben die erstaunliche Eigenschaft gleichzeitig den Wert von null und eins speichern zu können. In der Praxis würde dies bedeuten, dass ein Byte in einem Quantencomputer 256 Zustände gleichzeitig einnehmen könnte. Der Prozessor eines Quantencomputers wäre also demnach in der Lage ein mathematisches Problem mit allen Zahlen gleichzeitig zu verarbeiten. Selbst ein schwacher Quantencomputer mit nur 800 Qu-Bits an Schaltkreisen (sehr viel weniger als auf derzeit gängigen Prozessoren zu finden sind) wäre in der Lage mehr Zahlen gleichzeitig zu verarbeiten, als es Protonen im ganzen Universum gibt, so behaupten Wissenschaftler, darunter auch der renommierte Forscher Joel Birnbaum.

Doch es gibt auch Probleme, darunter ein sehr elementares der Quantenphysik: Wer ein Teilchen beobachtet, und zwar mit anderen Teilchen oder Wellen, verändert dessen Zustand in der Welt der Quantenphysik. Möchte man also den Zustand bzw. Status eines Qu-Bits messen, führt dies dazu, dass es aus seiner Quantenwelt gerissen wird und sofort den Zustand Null oder Eins annimmt. Dies bedeutet also, dass ein Quantenrechner ohne Störung von außen arbeiten müsste, und zwar exakt bis zu dem Moment, indem die Antwort auf ein Problem vorliegt. Viele Forscher bemühen sich, exakt diesen Moment zu identifizieren. Bis Quantencomputer Realität werden wohl noch viele Jahrzehnte, vielleicht auch Jahrhunderte vergehen. Doch eines steht unumstößlich fest – Realität werden sie!

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