Ein Quantencomputer ist ein Rechner, der nicht mit Bits aus Nullen und Einsen arbeitet, sondern mit Qubits. Ein Qubit kann sich in einer Überlagerung von 0 und 1 befinden, und mehrere Qubits lassen sich miteinander verschränken. Dadurch kann ein Quantencomputer bestimmte Aufgaben lösen, an denen selbst die größten Supercomputer scheitern, etwa die Simulation von Molekülen oder das Knacken heutiger Verschlüsselung.
Der aktuelle Stand: Es gibt funktionierende Quantencomputer mit gut hundert Qubits, zum Beispiel von IBM und Google. Sie sind aber noch fehleranfällig und für die meisten Alltagsaufgaben ungeeignet. Einen normalen PC oder Laptop wird ein Quantencomputer nicht ersetzen. Er ist ein Spezialwerkzeug für besondere Rechenprobleme.
Quantencomputer einfach erklärt: Bits und Qubits
Jeder normale Computer, vom Smartphone bis zum Supercomputer, rechnet mit Bits. Ein Bit ist wie ein Lichtschalter: an oder aus, 1 oder 0. Alle Programme, Bilder und Spiele bestehen am Ende aus langen Ketten solcher Schalter.
Ein Qubit (Quantenbit) funktioniert anders. Man kann es sich wie eine Münze vorstellen, die sich auf dem Tisch dreht. Solange sie sich dreht, ist sie weder Kopf noch Zahl, sondern beides in einem bestimmten Verhältnis. Erst wenn man sie anhält und nachschaut, also misst, zeigt sie eine Seite. Physikalisch ist ein Qubit zum Beispiel ein winziger supraleitender Stromkreis, ein einzelnes Atom oder ein Lichtteilchen.
Überlagerung
Die Überlagerung (Superposition) ist dieser „dreht sich noch“-Zustand. Ein Qubit steckt gleichzeitig in 0 und 1, jeweils mit einer bestimmten Gewichtung. Zwei Qubits beschreiben so vier Zustände auf einmal, drei Qubits acht, 50 Qubits schon mehr als eine Billiarde. Mit jedem zusätzlichen Qubit verdoppelt sich die Zahl der Zustände, sie wächst also exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Genau deshalb kann ein herkömmlicher Computer einen Quantencomputer mit mehr als etwa 50 Qubits kaum noch nachrechnen.
Verschränkung
Verschränkte Qubits sind so miteinander verbunden, dass man sie nicht mehr einzeln beschreiben kann. Misst man eines, steht das Ergebnis des anderen sofort fest, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Albert Einstein nannte das „spukhafte Fernwirkung“. Für einen Quantencomputer ist die Verschränkung wichtig, weil erst die verschränkten Qubits ein gemeinsames Rechensystem bilden. Überlagerung und Verschränkung folgen direkt aus den Gesetzen der Quantenmechanik. Die Wissenschaft, die daraus Rechenverfahren ableitet, heißt Quanteninformatik.
Interferenz: Warum das Ganze rechnet
Ein häufiges Missverständnis lautet, ein Quantencomputer probiere einfach alle Lösungen gleichzeitig aus. So einfach ist es nicht. Am Ende liefert jede Messung nur ein einziges Ergebnis. Der Trick besteht darin, die Rechenschritte so zu bauen, dass sich falsche Wege gegenseitig auslöschen und richtige verstärken, ähnlich wie sich Wellen im Wasser überlagern. Das nennt man Interferenz. Nur für bestimmte Probleme kennt man solche Quantenalgorithmen. Sie sind mathematisch aufwendig, und für die meisten Alltagsaufgaben gibt es schlicht keinen Vorteil.
Wofür braucht man Quantencomputer?
- Chemie und Materialien: Moleküle folgen selbst den Regeln der Quantenphysik. Ein Quantencomputer kann sie deshalb viel natürlicher nachbilden als ein klassischer Rechner. Das könnte bei neuen Medikamenten, Batterien oder Düngemitteln helfen.
- Optimierung: Routen für Lieferwagen, Stundenpläne oder Stromnetze haben so viele Möglichkeiten, dass normale Rechner nur Näherungen finden. Hier wird getestet, ob Quantenverfahren bessere Lösungen liefern.
- Kryptografie: Der Shor-Algorithmus von 1994 zeigt, dass ein großer Quantencomputer heute übliche Verschlüsselungen wie RSA knacken könnte. Dazu weiter unten mehr.
- Künstliche Intelligenz: Forschende untersuchen, ob sich bestimmte Rechenschritte beim maschinellen Lernen beschleunigen lassen. Belastbare Vorteile gibt es hier bisher nicht.
- Grundlagenforschung: Physiker simulieren komplexe Vorgänge, die sich im Labor kaum beobachten lassen.
Für Textverarbeitung, Spiele oder Videos ist ein Quantencomputer dagegen nutzlos. Hier sind klassische Computer schneller, billiger und zuverlässiger. Wie weit klassische Rechner heute gehen, zeigt unser Artikel über den Supercomputer JUPITER in Jülich.
Wie sieht ein Quantencomputer aus?
Wer ein Foto eines Quantencomputers von IBM oder Google sieht, entdeckt meist ein goldglänzendes Gebilde, das von der Decke hängt und an einen Kronleuchter erinnert. Das ist nicht der Rechner selbst, sondern die Kühlanlage, ein sogenannter Kryostat oder Verdünnungskühlschrank.
Supraleitende Qubits funktionieren nur bei extremer Kälte, wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius. Der Kryostat kühlt Stufe für Stufe von oben nach unten ab. Die goldenen Platten sind die Temperaturstufen, die vielen Drähte führen Steuersignale nach unten. Ganz unten sitzt der eigentliche Chip, kaum größer als eine Briefmarke. Im Betrieb steckt das Ganze in einem Metallzylinder, der von außen wie ein großer Tank aussieht.
Nicht alle Quantencomputer sehen so aus. Systeme mit Ionenfallen oder neutralen Atomen halten einzelne Atome mit Lasern und elektrischen Feldern in einer Vakuumkammer fest. Sie brauchen weniger Kälte, dafür füllen Laser und Optik ganze Labortische. Photonische Quantencomputer rechnen mit Lichtteilchen.
Das größte Problem: Fehler
Qubits sind extrem empfindlich. Wärme, kleinste Erschütterungen oder elektromagnetische Störungen bringen die Überlagerung durcheinander. Fachleute nennen das Dekohärenz. Deshalb gehen längere Rechnungen heute schnell im Rauschen unter.
Das ist die größte Hürde bei der Realisierung von Quantencomputern, denn nützliche Berechnungen verlangen oft Millionen fehlerfreier Einzelschritte. Die Lösung heißt Quantenfehlerkorrektur. Dabei bilden viele physische Qubits zusammen ein einziges „logisches Qubit“, das Fehler erkennt und ausgleicht. Das Problem: Mehr Qubits bedeuten auch mehr Fehlerquellen. Jahrzehntelang war offen, ob die Korrektur mit wachsender Größe wirklich besser wird.
Google Willow: Der Durchbruch von 2024
Im Dezember 2024 stellte Google den Chip Willow mit 105 Qubits vor. Das Team testete logische Qubits aus immer größeren Gittern, von 3 mal 3 über 5 mal 5 bis 7 mal 7 physischen Qubits. Mit jeder Stufe halbierte sich die Fehlerrate. Damit gelang erstmals überzeugend der Nachweis „unterhalb der Schwelle“: Mehr Qubits machen die Rechnung stabiler statt fehleranfälliger.
Für Schlagzeilen sorgte ein Vergleichstest. Willow löste eine Zufallsaufgabe in unter fünf Minuten, für die der Supercomputer Frontier nach Googles Schätzung etwa 10 Quadrillionen Jahre bräuchte. Die Aufgabe hat allerdings keinen praktischen Nutzen, sie dient nur als Leistungsprobe.
Im Oktober 2025 legte Google mit „Quantum Echoes“ nach, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature. Der Algorithmus lief auf Willow 13.000-mal schneller als das beste klassische Verfahren auf einem der schnellsten Supercomputer. Neu war, dass sich das Ergebnis überprüfen lässt, und dass die Methode einen Bezug zu echten Anwendungen hat, nämlich zur Untersuchung von Molekülstrukturen.
IBM: Große Pläne bis 2029
IBM baut ebenfalls supraleitende Quantencomputer und bietet sie seit 2016 über die Cloud an. 2019 stellte das Unternehmen mit dem IBM Q System One einen der ersten kommerziellen Quantencomputer in einem geschlossenen Gehäuse vor. Die aktuellen Prozessoren heißen Heron (bis zu 156 Qubits) und Nighthawk (120 Qubits). Für 2029 plant IBM mit „Starling“ einen fehlerkorrigierten Quantencomputer mit 200 logischen Qubits, der 100 Millionen Rechenschritte ausführen soll. Mehr zu IBM und anderen Größen der Branche steht in unserem Überblick über bedeutende Computerunternehmen.
Quantencomputer in Deutschland
Deutschland spielt bei der Quantentechnik vorne mit. Zwei Standorte sind besonders bekannt:
- IBM in Ehningen bei Stuttgart: 2021 nahm IBM hier zusammen mit der Fraunhofer-Gesellschaft den ersten IBM-Quantencomputer in Europa in Betrieb, ein IBM Quantum System One. Seit Oktober 2024 betreibt IBM in Ehningen außerdem sein erstes Quanten-Rechenzentrum außerhalb der USA, über das Firmen und Forschungseinrichtungen per Cloud rechnen.
- Forschungszentrum Jülich: Die Jülicher Infrastruktur für Quantencomputing JUNIQ bietet Wissenschaft und Industrie Zugang zu fünf Quantencomputern unterschiedlicher Bauart und einem Simulator. Die Technik reicht von supraleitenden Qubits über neutrale Atome und Halbleiter bis zu Ionenfallen. Zusätzlich simuliert Jülich Quantencomputer auf seinen Supercomputern, um neue Algorithmen zu testen.
Dazu kommen Start-ups wie planqc aus Garching oder eleQtron aus Siegen sowie Forschungsprogramme von Bund und Ländern, die Forschung und Industrie zusammenbringen. Wie viele Quantencomputer es weltweit gibt, lässt sich nicht genau sagen, denn viele stehen in Laboren von Firmen und Hochschulen. Neben IBM und Google arbeiten unter anderem Microsoft, Amazon, Quantinuum, IonQ und D-Wave an der Entwicklung von Quantencomputern. D-Wave setzt dabei auf eine besondere Technologie, das sogenannte Quanten-Annealing, das nur für Optimierungsaufgaben gedacht ist. Einen marktreifen Quantencomputer, der Probleme aus der Praxis besser löst als klassische Rechner, gibt es aber auch in Deutschland noch nicht.
Quantencomputer und Verschlüsselung: Ist Bitcoin in Gefahr?
Die meisten sicheren Verbindungen im Internet, beim Onlinebanking oder beim Einkaufen, nutzen Verfahren wie RSA oder elliptische Kurven. Ihre Sicherheit beruht darauf, dass klassische Computer bestimmte Rechenaufgaben praktisch nicht lösen können. Der Shor-Algorithmus kann genau diese Aufgaben effizient lösen, allerdings nur auf einem großen, fehlerkorrigierten Quantencomputer.
Diesen Quantencomputer gibt es noch nicht. Heutige Geräte sind um viele Größenordnungen zu klein und zu fehleranfällig. Eine Schätzung von Google-Forschern aus dem Jahr 2025 kommt aber zu dem Ergebnis, dass für das Knacken eines 2048-Bit-RSA-Schlüssels weniger als eine Million fehlerbehaftete Qubits reichen könnten, deutlich weniger als früher angenommen.
Was das für Bitcoin bedeutet
Bitcoin nutzt für seine digitalen Unterschriften elliptische Kurven (ECDSA). Ein ausreichend großer Quantencomputer könnte aus einem öffentlichen Schlüssel den geheimen Schlüssel berechnen. Gefährdet wären vor allem Guthaben auf Adressen, deren öffentlicher Schlüssel schon in der Blockchain sichtbar ist, etwa weil von der Adresse bereits Geld verschickt wurde. Das Mining, das auf der Hashfunktion SHA-256 beruht, ist dagegen deutlich weniger betroffen.
In der Bitcoin-Gemeinde werden Vorschläge diskutiert, wie das Netzwerk auf quantensichere Signaturen umsteigen kann. Das ist technisch machbar, braucht aber Zeit und Einigkeit. Eine akute Gefahr besteht heute nicht, ein Grund für Sorglosigkeit ist das aber auch nicht. Anlagetipps geben wir an dieser Stelle bewusst nicht.
Post-Quanten-Kryptografie
Die Antwort der Fachwelt heißt Post-Quanten-Kryptografie: Verschlüsselungsverfahren, die auf normalen Computern laufen, aber nach heutigem Wissen auch von Quantencomputern nicht zu knacken sind. Im August 2024 veröffentlichte das US-Standardisierungsinstitut NIST die ersten drei Standards (FIPS 203, 204 und 205, bekannt als ML-KEM, ML-DSA und SLH-DSA).
Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) rät Behörden und Unternehmen, jetzt mit der Umstellung zu beginnen. Der Grund: Angreifer können verschlüsselte Daten schon heute abfangen und speichern, um sie später zu entschlüsseln („store now, decrypt later“). Für Daten, die lange geheim bleiben müssen, ist das ein echtes Risiko. Das BSI erklärt die Hintergründe auf seiner Seite zur Post-Quanten-Kryptografie.
Kann man einen Quantencomputer kaufen? Preis und Zugang
Für Privatleute lautet die kurze Antwort: nein, zumindest keinen, der mehr als Lehrzwecken dient. Große Quantencomputer werden als Sonderanfertigung an Forschungszentren und Konzerne geliefert. Feste Listenpreise gibt es nicht. Allein Kühlung, Abschirmung und Fachpersonal machen solche Anlagen zu Großprojekten.
Es gibt aber zwei günstigere Wege:
- Rechenzeit in der Cloud: IBM lässt jeden über das Internet auf echten Quantencomputern rechnen. Im kostenlosen Open Plan gibt es bis zu 10 Minuten Rechenzeit im Monat. Wer mehr braucht, zahlt nach IBM-Preisliste ab 96 US-Dollar pro Minute, abgerechnet pro Sekunde. Auch Amazon und Microsoft bieten über ihre Cloud-Plattformen Zugang zu Quantencomputern verschiedener Hersteller an.
- Lehrgeräte: Hersteller wie SpinQ aus China verkaufen kleine Quantencomputer auf Basis der Kernspinresonanz (NMR) mit sehr wenigen Qubits. Sie arbeiten bei Raumtemperatur und sind für Schulen und Hochschulen gedacht, rechnen aber nichts, was ein Laptop nicht auch könnte.
Wer einfach ausprobieren möchte, wie Quantenprogramme aussehen, kann mit frei verfügbarer Software wie Qiskit von IBM auf dem eigenen Rechner erste Schaltungen bauen und simulieren.
Aktueller Stand: Wann kommt der nützliche Quantencomputer?
Der Entwicklungsstand der Quantencomputer lässt sich so zusammenfassen: Die Hardware funktioniert, sie ist aber noch nicht leistungsstark genug für praktische Aufgaben. Seriöse Prognosen sind deshalb schwierig. Die Hersteller nennen das Ende der 2020er-Jahre als Ziel für die ersten fehlerkorrigierten Systeme, IBM etwa 2029. Bis Quantencomputer im großen Stil Chemie, Logistik oder Verschlüsselung verändern, dürften noch einige Jahre vergehen.
Sicher ist: Quantencomputer werden klassische Computer nicht ablösen, sondern ergänzen. In Rechenzentren wie Jülich wachsen beide Welten schon zusammen. Wie schnell klassische Rechner heute sind, zeigt unser Beitrag über den schnellsten Computer der Welt.
Zusammenfassung
Ein Quantencomputer rechnet mit Qubits, die dank Überlagerung und Verschränkung bestimmte Aufgaben weit schneller lösen können als klassische Computer. Heutige Geräte von Google, IBM und anderen haben gut hundert Qubits, stehen in extrem kalten Kryostaten und sind noch fehleranfällig. Google Willow zeigte 2024, dass Fehlerkorrektur mit wachsender Größe funktioniert. In Deutschland rechnen Quantencomputer vor allem in Ehningen und Jülich. Für Verschlüsselung und Bitcoin gibt es heute keine akute Gefahr, die Umstellung auf Post-Quanten-Kryptografie läuft aber bereits. Kaufen können Privatleute keinen echten Quantencomputer, wohl aber kostenlos in der Cloud darauf rechnen.