Mehr Qubits, mehr Leistung - so lautet das Versprechen, mit dem die Quantencomputing-Branche seit Jahren Investoren, Industrieunternehmen und Regierungen für sich gewinnt. Eine neue Studie aus Dresden stellt diesen Automatismus jetzt grundsätzlich in Frage. Und das Ergebnis ist unbequem: Ausgerechnet die Skalierung, die den Quantenrechner erst nützlich machen soll, kann ihn unter bestimmten Bedingungen lahmlegen.
Das Phänomen: Einfrieren durch zu viel Aufmerksamkeit
Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) zeigen im New Journal of Physics, dass der sogenannte Quantum-Zeno-Effekt Rechenprozesse mit wachsender Qubit-Zahl im Extremfall nahezu zum Stillstand bringen kann - ein Phänomen, das sich mit dem gefürchteten "Festfahren" klassischer Computer vergleichen lässt.
Betroffen ist eine spezifische, aber industriell besonders relevante Klasse von Systemen: sogenannte adiabatische Quantencomputer, deren Qubits sich stets im Grundzustand befinden - dem energieärmsten Zustand. Um ein Rechenproblem zu lösen, wird die Energielandschaft der Qubits schrittweise verändert, langsam genug, damit sie sich kontinuierlich anpassen und dem sich verändernden Grundzustand folgen können. Sobald die Transformation abgeschlossen ist, kodiert der Grundzustand unmittelbar die Lösung des Problems.
"Adiabatische Algorithmen gelten als robust und können von Quantencomputern weitgehend unabhängig von der verwendeten Hardware ausgeführt werden", erklärt Institutsdirektor Prof. Ralf Schützhold. Ob die Qubits durch supraleitende Festkörper oder in elektromagnetischen Fallen gefangene Ionen erzeugt werden - das Prinzip funktioniert in beiden Fällen. Genau diese Hardwareunabhängigkeit macht den adiabatischen Ansatz für industrielle Anwendungen attraktiv.
Photo: Umberto / UnsplashDer Mechanismus: Winzige Störungen mit großer Wirkung
Das Tückische liegt in der Physik selbst. Um die empfindliche Überlagerung und Verschränkung der Qubits aufrechtzuerhalten, werden Quantencomputer massiv abgeschirmt und auf nahe den absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) gekühlt. Trotzdem lassen sich Einflüsse aus der Umgebung nie ganz ausschließen. Das Tückische: Je mehr Qubits verschaltet werden, desto feiner werden die Änderungen in der Energielandschaft. Ab einer bestimmten Skalierungsgröße schlägt dann der Quantum-Zeno-Effekt zu.
Selbst winzige Umgebungseinflüsse können dann die Quantenzustände der Qubits beeinflussen. "Jede Störung wirkt wie eine unerwünschte Messung und verlangsamt die Systementwicklung", sagt Dr. Gernot Schaller. "Im schlimmsten Fall könnte eine Berechnung sogar vollständig einfrieren."
Der Quantum-Zeno-Effekt beschreibt die Hemmung der Quantenentwicklung durch häufige Messungen oder Störungen - benannt nach dem antiken Philosophen Zenon von Elea und seinem Paradoxon der Bewegungsunmöglichkeit.
Für ganz generische Bedingungen stellen die Forschenden fest, dass der Quantum-Zeno-Effekt die Leistungsfähigkeit - den sogenannten Quantenvorteil - stark einschränkt, weil die Umgebung den Systemzustand dauerhaft effektiv misst und damit Quantenübergänge hemmt oder verlangsamt.
Die Ergebnisse lassen sich verallgemeinern: Ähnliche Einschränkungen dürften universell für adiabatische Quantenalgorithmen und Quantum-Annealing-Verfahren gelten. Das ist keine Randnotiz. Quantum Annealing ist genau die Methode, auf die Unternehmen wie D-Wave bei der Lösung kombinatorischer Optimierungsprobleme setzen - also jener Aufgabenklasse, die für Logistik, Produktionsplanung und Supply-Chain-Optimierung besonders relevant ist.
Was das für Industrieanwendungen bedeutet
Die Erwartungen an den Quantencomputer in der produzierenden Industrie sind konkret. Quantencomputer versprechen, komplexe Probleme schneller und energieeffizienter zu lösen als heutige Supercomputer - von der Optimierung logistischer Abläufe bis zur Simulation von Molekülen. Die wichtigsten Anwendungsfelder liegen laut McKinsey vor allem in Pharma, Chemie und Materialien, Finanzdienstleistungen, Logistik sowie Energie und Industrie - dort sei der potenzielle wirtschaftliche Hebel besonders groß.
McKinsey schätzt das mögliche Wertpotenzial von Quantencomputing allein in der Chemie- und Materialbranche bis 2035 auf 450 bis 800 Milliarden US-Dollar.
Auch in Deutschland laufen konkrete Pilotprojekte. Die Deutsche Bahn testet Quantencomputing unter anderem für die Simulation des Kapazitätsmanagements auf Basis von ICE-Fahrplänen. Variationale Verfahren kombinieren klassische Optimierer mit quantenmechanischen Subroutinen und werden heute in Rechenzentren von BMW bis Airbus getestet, um komplexe Logistik- und Verkehrsprobleme schneller zu lösen.
Für all diese Anwendungen gilt: Sie setzen voraus, dass der Quantenrechner mit wachsender Qubit-Zahl tatsächlich leistungsfähiger wird. Genau das stellt die HZDR-Studie in Frage - nicht als theoretisches Gedankenspiel, sondern als nachgewiesenes physikalisches Hindernis.
Die Studie betrifft primär adiabatische Quantencomputer und Quantum-Annealing-Systeme. Gate-basierte Quantencomputer — wie sie IBM und Google entwickeln — folgen einem anderen Prinzip und sind von diesem spezifischen Effekt nicht direkt betroffen. Industrieunternehmen sollten bei der Technologieauswahl genau unterscheiden, welche Architektur für ihren Anwendungsfall relevant ist.
Gegenmaßnahmen: Abschirmung allein reicht nicht
Die Dresdner Forschenden benennen das Problem, aber sie liefern auch Ansätze zur Lösung. Der Schutz der Qubits erfordert mehr als nur extrem niedrige Temperaturen und Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung - diese Maßnahmen allein reichen nicht aus, um alle externen Einflüsse zu eliminieren.
Schützhold schlägt deshalb aktive Schutzmaßnahmen vor: "Mit der sogenannten Spin-Echo-Methode lässt sich die Kopplung der Qubits an ihre Umgebung durch kohärente Pulse verringern." Das Prinzip: Gezielte Pulse kompensieren aktiv die Auswirkungen jeder Störung - ähnlich wie ein Ofen, der jedes Mal kurz aufheizt, wenn jemand die Tür öffnet.
"Unsere Studie zeigt, dass sich leistungsfähige Quantencomputer nur entwickeln lassen, wenn der Einfluss der Umgebung von Anfang an mitgedacht wird", fasst Schützhold zusammen.
Das ist eine klare Botschaft an Hardwareentwickler und Systemintegratoren: Umgebungsmanagement ist kein nachgelagertes Optimierungsproblem, sondern eine Grundbedingung für funktionsfähige Skalierung.
Einordnung: Kein Rückschlag, aber eine Korrektur
Es wäre falsch, die HZDR-Studie als Beleg dafür zu lesen, dass Quantencomputing nicht funktioniert. Die Bundesregierung hat Quantentechnologien auf ihre "Hightech Agenda Deutschland" gesetzt. Das Programm, das im Juli 2025 verabschiedet wurde, definiert besonders geförderte Technologien, die mehr Wertschöpfung, Wettbewerbsfähigkeit und Souveränität für die deutsche Wirtschaft generieren sollen. Das politische Commitment ist ungebrochen.
Was die Studie leistet, ist eine Präzisierung: Der Quantum-Zeno-Effekt stellt laut HZDR-Forschenden ein bislang kaum beachtetes Skalierungshindernis für adiabatische Quantencomputer dar, das sich mit wachsender Qubit-Zahl verschärft. Mehr Qubits bedeuten eben nicht automatisch mehr Leistung - jedenfalls nicht, solange die Umgebungskontrolle nicht mitgedacht wird.
Für Industrieunternehmen, die Quantencomputing in ihre Technologiestrategie einplanen, hat das praktische Konsequenzen: Die Frage, welche Architektur für welchen Anwendungsfall geeignet ist, wird komplexer. Und der Zeitplan für produktionsreife Systeme dürfte realistischer - sprich: länger - ausfallen als manche Hochglanzpräsentation suggeriert.
Die Forschenden in Dresden haben damit keinen Stein ins Wasser geworfen, der Wellen schlägt und dann versinkt. Sie haben ein Fundament gelegt, auf dem die nächste Generation von Quantenarchitekturen aufbauen muss - ob sie will oder nicht.
Was ist der Quantum-Zeno-Effekt?
Der Quantum-Zeno-Effekt beschreibt das Phänomen, dass häufige Messungen oder Störungen die Entwicklung eines Quantensystems hemmen oder vollständig blockieren können. Benannt nach dem antiken Philosophen Zenon von Elea, ist er in der Quantenphysik seit Jahrzehnten bekannt — seine Relevanz für die Skalierung von Quantencomputern wurde jedoch bislang kaum untersucht.
Welche Quantencomputer sind betroffen?
Primär adiabatische Quantencomputer und Quantum-Annealing-Systeme. Diese lösen Optimierungsprobleme, indem sie die Energielandschaft ihrer Qubits schrittweise verändern. Gate-basierte Quantencomputer (IBM, Google) arbeiten nach einem anderen Prinzip und sind von diesem spezifischen Effekt nicht direkt betroffen.
Gibt es Gegenmaßnahmen?
Ja. Neben verbesserter physischer Abschirmung gegen Wärme und elektromagnetische Strahlung schlagen die HZDR-Forschenden die sogenannte Spin-Echo-Methode vor: Kohärente Pulse reduzieren aktiv die Kopplung der Qubits an ihre Umgebung und können so den Zeno-Effekt abschwächen.
Was bedeutet das für Industrieunternehmen, die Quantencomputing planen?
Unternehmen sollten bei der Technologieauswahl genau zwischen adiabatischen und gate-basierten Systemen unterscheiden. Außerdem sollten Zeitpläne für produktionsreife Quantenanwendungen realistisch kalkuliert werden — die Skalierungsherausforderungen sind größer als oft kommuniziert.
