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Mittwoch, April 24, 2024

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Quantencomputing für alle, aber (noch) nicht für Alles

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Quantencomputer sind groß, ungenau und aufwendig zu betreiben. Wirklich? Ein Deep-Tech-Startup aus Sachsen hat den Quantencomputer miniaturisiert. Die Rechner aus Sachsen sind weder auf ein Vakuum noch ultratiefe Temperaturen angewiesen. Wie das geht und was es sonst Neues gibt aus der Welt der Qubits haben wir für euch recherchiert.

Aber zuerst: Was ist das überhaupt, Quantum Computing?

Quantencomputer basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik. Die Grundrecheneinheit eines Quantencomputers ist ein Qubit. Qubits sind nichts anderes als Quanten; daher kommt auch der Name. In der Quantenmechanik sind das die kleinsten möglichen Werte oder Objekte. Ein solches Objekt kann ein Photon oder ein Elektron sein.

Anders als bei einem Bit in herkömmlichen Computern hängt der Zustand eines Qubits von mehreren Faktoren ab. Als Beispiel für die Funktionsweise von Quanten wird gern ein Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger zitiert: Schrödingers Katze.

Im Experiment wird ein radioaktives Element zusammen mit einem Hammer, einem Giftfläschchen und einer Katze in einen Karton gesteckt.

Im Karton kann eine Menge passieren:

  • Das radioaktive Element zersetzt sich. Der Hammer fällt auf das Giftfläschchen und zerbricht es. Die Katze trinkt das Gift und stirbt.
  • Oder sie trinkt das Gift nicht oder der Hammer zertrümmert das Giftfläschchen nicht und die Katze stirbt irgendwann an Krebs – oder auch nicht.
  • Der Zerfall des radioaktiven Elements dauert Jahre und es passiert überhaupt nichts – bis die Katze irgendwann verhungert.
  • Auch kann die Katze aus Versehen beim Spielen den Hammer auf das Giftfläschchen werfen und das Gift trinken – oder nicht trinken.

Erst wenn der Karton geöffnet wird, ist klar, was passiert ist und der Zustand der Katze kann eindeutig bestimmt werden:

Die Katze lebt.

Die Katze ist tot.

Die Katze ist weder tot noch lebendig. Sie strahlt.

Es ist nur ein Gedankenexperiment – unserer Katze geht es gut!

So lange also nicht klar ist, was im Karton passiert, ist die Katze weder eindeutig tot noch eindeutig lebendig. Sie kann das eine oder das andere sein – oder irgendwas dazwischen.

Ähnlich verhält es sich auch mit Quanten. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Superposition. Die Superposition beschreibt die möglichen Zustände eines Objektes, z. B. einem Qubit. Erst durch Messungen wird ein eindeutiger Zustand festgestellt und ein Ergebnis präsentiert. Das Qubit befindet sich zum Zeitpunkt der Messung in einer der möglichen Positionen. Diese wird beeinflußt durch verschiedene Faktoren – auch die Zeit.

Quanten sind divers

Beim klassischen Computing ist der Zustand eines Bits entweder 1 oder 0. Aus einer Kombination der Zustände verschiedener Bits lassen sich Informationen darstellen. Für die Darstellung der Ziffern 2 und 3 werden zwei Bits benötigt.

Ein Bit kann entweder 1 oder 0 sein. Informationen werden aus einer Kombination von Bits dargestellt. Moderne Computer haben 64 Bits, ältere rechnen mit 32. Das sind immerhin schon über 4Mrd. (4.294.967.296) verschiedene darstellbare Werte. Mit 64 Bits sind es mehr als 18 Trillionen (18.446.744.073.709.551.615). Je mehr Bits, desto mehr Möglichkeiten.

Input und Verarbeitung von Informationen, die zu einem Zustand (Rechenergebnis) führen, erfolgen nacheinander. Zwar können verschiedene Operationen parallel ausgeführt werden, aber auch da müssen die Ergebnisse irgendwann zusammengeführt werden. In hochkomplexen Szenarien ist auch Arbeitsspeicher eine limitierende Größe. Je mehr Variablen auf komplizierte Weise zusammenwirken, desto größer wird die Herausforderung für einen herkömmlichen Rechner. Selbst ein Supercomputer kommt dabei schnell an seine Grenzen.

Anders verhält es sich mit Quantencomputern. Informationen werden mit potentiell unendlich vielen Datenpunkten in mehrdimensionalen Räumen abgebildet. Für die Darstellung der Information werden weniger Qubits benötigt als Bits beim klassischen Computing. Zudem können die Qubits miteinander vernetzt (verschränkt) werden. Ändert sich der Zustand eines Qubits, hat das Auswirkungen auf die verschränkten Qubits.

Ein Qubit kann mehr als einen Zustand haben. Zudem können sich die Zustände überlagern. Für das Ergebnis ist entscheidend, ob der Wert näher an 0 oder näher an 1 ist.

Quantencomputer können auf diese Art alle möglichen Wahrscheinlichkeiten berücksichtigen und darstellen. Informationen werden auf eine völlig neue und effektivere Weise korreliert. Das ist es, was Quantenrechner so schnell macht und Zusammenhänge erkennen lässt, die herkömmlichen Computern verborgen bleiben.

Ein perfekter Anwendungsfall für Quantenrechner sind z. B. Simulationen. So können Studien zu Wirksamkeit oder Nebenwirkungen neuer Medikamente wesentlich schneller und zuverlässiger evaluiert werden. Auch Strömungsdynamik sind ein mögliches Anwendungszenario oder die Entwicklung neuartiger Impfstoffe auf Proteinbasis.

QDeepTech ist ein Deeptech-Unternehmen mit Fokus auf neue Technologie wie Quantencomputing. Dr. Angie Qarry, Gründer und CEO von QDeepTech, weiß, dass klassisches Computing kurzfristig an Grenzen stoßen wird. Das können Leistungsgrenzen sein, aber auch der Energiebedarf. Immer komplexere Berechnungen benötigen viel Rechenleistung. Irgendwann reicht die Energieproduktion nicht mehr für die Versorgung aller Ansprüche aus. Quantenrechner sollen Herausforderungen wir diese lösen.

Dr. Qarry erklärt, was ein Quantencomputer ist, geht auf die Anwendungsseite der Quantenberechnung ein und kennt den aktuellen Stand der Technik ist. Der Vortrag wurde auf dem OCP Regional Summit 2023 in Prag aufgezeichnet.

Watson ohne Sherlock

Der wohl bekannteste Quantencomputer ist das Quantum System von IBM, besser bekannt als Watson.

IBM Quantum System One: Im Inneren arbeiten wahlweise ein 27-Qubit-Falcon-Prozessor, ein 65-Qubit-Hummingbird-Prozessor und der127-Qubit-Eagle-Prozessor. (Quelle IBM)

2022 kündigte IBM die Einführung seines bis dahin leistungsfähigsten Quantum-Prozessors an. Der 433-Qubit IBM Quantum Osprey ist dreimal größer als der Eagle-Prozessor. Für Flexibilität in der Signalführung sorgen mehrstufige Verdrahtungen.

Quantenprozessoren bestehen aus einer physischen und einer logischen Schicht. Die physische Schicht mit dem Quantenprozessor und der Verdrahtung wird von einer logischen Schicht gesteuert. Die ist für die Definition der kodierten Qubits und die logischen Operationen des Quantenalgorithmus verantwortlich. Bei IBM sieht die physische Schicht so aus:

Der 433-Qubit IBM Quantum Osprey ist die neueste Entwicklung und dreimal größer ist als der Eagle-Prozessor. (Quelle: IBM)

In einem Artikel des nature partner journals sind Aufbau und Funktionsweise eines Quantenprozessors ausführlich beschrieben.

Der IBM Quantum Osprey ist nur ein Beispiel eines Quantenprozessors. Alle hier zu beschreiben, würde zu weit führen.

Spin-Gläser

Der Vorteil der Qubits ist gleichzeitig 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.

In einem Spin-Glas 🌐 sind die Spins ungeordnet und richten sich zufällig in verschiedene Richtungen aus – besonders in einem mehrdimensionalen Vielteilchensystemen mit komplizierten Wechselwirkungen wie einem Quantenprozessor. Das Gegenteil eines Spin-Glases wäre ein Eisenmagnet.

Ausrichtung der Spins in Metall.
In einem Spin-Glas herrscht Chaos. Bei der kleinsten Ablenkung tanzen die Spins wild herum. Erst bei sehr niedrigen Temperaturen kehrt Ruhe ein.

Um einen einigermaßen kohärenten Zustand in einem Qubit zu erreichen, sind extrem niedrige Temperaturen nötig. Googles erster Quantenrechner 🌐 mit dem Sycamore Quantenprozessor wurde auf bis zu -273°C (0,15 K) kryogenisiert.

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.


Buchempfehlung: 
Lectures on Quantum Computing, Thermodynamics and statistical Physics (Kinki University Series on Quantum Computing, Band 8)

Sycamore-Prozessor im Tiefkühlschrank (Quelle Google; Forest Stearns, Google AI Quantum Artist in Residence)

Die Quantenrechner von Google oder IBM werden zudem in Vakuum-Kammern eingesperrt. Das soll Störfaktoren wie kleinste Erschütterungen oder Luftmolekülchen fern halten. Auf beides reagieren Qubits extrem empfindlich.

Auch das sogenannte Quantenrauschen ist noch eine Herausforderung. Beim Auswerten großer Datensätze kann es in Abhängigkeit von Impuls und Zeit zu Ungenauigkeiten bei den Messergebnissen kommen.

Mit Messgenauigkeit, wirtlicheren Betriebsumgebungen oder der Optimierung von 3D-Spin-Glass-Beschränkungen beschäftigen sich inzwischen viele Wissenschaftler und jede Menge Unternehmen.

D-Wave mit seinem Quantencomputer Advantage 🌐 ist eines dieser Unternehmen. Mit Hilfe supraleitender Quanten-Tempomaten hat der Pionier die Spin-Glas-Dynamik erstmals erfolgreich auf über 5.000 Qubits angewendet. Eines dieser Systeme lebt seit 2022 als JUPSI 🌐 im Forschungszentrum Jülich.

Der Annealing-Quanten-Prozessor von D-Wave (Quelle: D-Wave)

Auf Europäischer Ebene suchen Wissenschaft und Wirtschaft nach Quantenmaterialien und -bauelementen für skalierbare integrierte photonische Schaltungen. Das Quantum Flagship 🌐 ist eine der ehrgeizigsten und langfristigen Forschungs- und Innovationsinitiativen der Europäischen Kommission.

Auch in Deutschland wird fleißig an der Technologie geforscht. Eine Übersicht der Projekte 🌐 findet sich auf der Website des BMBF. Eine Projektlandkarte 🌐 zeigt aktuelle Demoaufbauten.

Quantencomputer für das Homeoffice

SaxonQ 🌐 und XeedQ 🌐 haben einen diamantbasierten Quantencomputer für den Betrieb bei Raumtemperaturen entwickelt. Das handliche System kann sogar mit einem Tablet über das WLAN gesteuert werden. Das Herz ist ein XQ1-Prozessor mit einem Diamantkern. Erste Forschungen dazu gab es am Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik 🌐 an der Universität Leipzig.

Für seine Prozessoren setzt das Team um zwei Professoren der Uni Leipzig auf Stickstoff-Fehlstellen – so genannte NV-Defekte – in Diamanten. Die atomgroßen Qubits sind in massiven Diamanten eingebettet und daher von Haus aus robuster als die von anderen Herstellern verwendete Technologie. Anders als ihre kryogenisierten Kollegen sind sie bereits bei Raumtemperatur voll funktionsfähig und steuerbar. Das minimiert den Platzbedarf und die Betriebskosten. Seinen Strom bezieht der mobile Sachse direkt aus der Steckdose.

saxonQ
Der XQ1i ist ein in Deutschland entwickelter handlicher Quantenrechner. (Quelle: SaxonQ)

Steigerungsfähig ist allerdings noch die Leistung des kleinen Quantenrechners. Mit 4 Qubits lassen sich Proteine noch nicht so oft falten.

Info
Auch klassische Computer haben mit 4 bit angefangen.
Der Intel 4004 gilt als der erste in Serie produzierte Mikroprozessor. Andreas Reichel stellte den Prozessor und seine Anwendung auf dem VCFe 2023 vor.

Demokratisierung der Qubits

Neu an dem Ansatz von SaxonQ und XeedQ ist auch der transparente Zugang zu den Qubits, mit dem Nutzer eigene Gates entwerfen und die Hardware direkt ansteuern können.

Zu den ersten Kunden der Leipziger gehört die Quantumcomputing Initiative 🌐 des Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR). Wer es selbst einmal ausprobieren möchte, kann sich an Quantagonia 🌐 wenden. Mit der flexible Plattform für leistungsstarke Algorithmen und intuitive APIs ist es möglich, bestehenden klassischen Code (x86-Code) und Entscheidungsmodelle oder Simulationsmodelle übergreifend auf klassischer und Quantenhardware auszuführen. Gegründet von AI-Experten hat Quantagonia seinen Sitz im Hochtaunus.

Zurück ins vakumierte Eisfach

Mitarbeiter des Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) gaben kürzlich die Gründung eines Startups zum Bau eines hochskalierbaren Quantencomputers bekannt. In einer ersten Finanzierungsrunde erhielt planqc 🌐 4,6 Millionen Euro. Das DeepTech-Unternehmen arbeitet ebenfalls an einer Optimierung der Technologie. planqcs Quantencomputer wollen vor allem eine höhere Gatterqualität erreichen und damit präzisere Ergebnisse. Für die Kohärenz der gespeicherten Information setzen die Münchner wie Google und IBM auf eine hermetische Abschottung von der Umwelt. Den ersten Auftrag zur Entwicklung eines Quantencomputers auf Basis von Neutralatomen gab es – wie in Leipzig – vom DLR.

Blick in die Vakuumkammer des auf Strontiumatomen basierenden Quantensimulators von planqc (Quelle: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.; Foto: Axel Griesch, MPQ)

Think bigger and standardize

Das Forschungszentrum Jülich 🌐 betreibt eines der drei traditionellen Höchstleistungsrechenzentren in Deutschland. Natürlich liegt es nahe, sich auch dort mit Qubits zu beschäftigen. Und als Hochleistungsrechenzentrum dürfen es gern sehr viele der kleinen Quantenobjekte sein. Für die Entwicklung des OpenSuperQPlus 🌐 haben sich 28 europäische Forschungspartner aus 10 Ländern vereint. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Quantencomputers mit 1.000 Qubits. In einer ersten Phase soll mit dem OpenSuperQPlus 100 innerhalb der nächsten 3,5 Jahre ein benutzerfreundliches 100-Qubit-System für erste Quantenanwendungen entwickelt werden. Das Projekt ist die Fortsetzung von OpenSuperQ 🌐.

FZJ OpenSQ Jülich
Kryostat des Quantencomputers OpenSuperQ am Forschungszentrum Jülich (Copyright: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau)

Mit der Schaffung eines einheitlichen Rahmens will man ein Quanten-Ökosystem in Europa schaffen und einen vielseitigen Quantencomputer made in Europe entwickeln. Ziel sind Quantenrechner für spezielle Anwendungsfälle in der Quantensimulation für die chemische Industrie und Materialwissenschaft.

Aber auch in Jülich ist eine der Mammutaufgaben die Überwindung von Fehlern in Quantencomputern und die Steigerung der Skalierfähigkeit.

Standardisierung ist auch das Ziel von OPENQKD 🌐. Die Initiative vereint 38 Partner aus 13 Ländern der EU, darunter Netzwerkdienstleister, globale Anbieter von Telekommunikationsausrüstung, innovative Hightech-KMUs sowie leistungsstarke Forschungs- und Innovationszentren und akademische Partner. Der Fokus sind verschiedene Bereiche der Quantentechnologien mit Schwerpunkt auf Sicherheit, optische Netzwerke und Netzwerkmanagement. Das Konsortium will die Quantenkommunikation standardisieren und die Technologie nahtlos in bestehende Sicherheitssysteme und Netzwerke integrieren. So sollen z. B. standardisierte Schnittstellen die Interoperabilität in einem QKD-Ökosystem gewährleisten oder vertikale APIs die QKD-Technologie mit der Netzwerkverschlüsselung und der Anwendungsschicht verbinden. Damit sollen die Grundlagen für ein pan-europäisches Quantum-Netzwerk geschaffen werden. Eine Simulation dieses Netzwerkes 🌐 ist online bereits verfügbar.

Quanten Community & Qubits as a Service

PlanQK 🌐 ist zugleich Plattform und Ökosystem für Quantenanwendungen. PlanQK will KI und Quantencomputing miteinander verbinden. Knowledgebase, Marktplatz und geschützte Datenräume sollen vor allem KMU den Zugang zu Quanten-KI erleichtern. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz 🌐 gefördert.

Wer sich keinen eigenen Quantencomputer leisten mag oder kann, für den bieten Service Provider wie die Telekom 🌐 Quanten-Computing as a Service.

In der IT-Landschaft von morgen wird Quantencomputing eine zentrale Rolle spielen. Wir kombinieren Quanten- und klassisches Computing in einem nahtlosen und skalierbaren Kundenerlebnis.

ADEL AL-SALEH, VORSTANDSMITGLIED DER DEUTSCHEN TELEKOM UND CHIEF EXECUTIVE VON T-SYSTEMS

Telekom-Kunden können über die Cloud auf IBM-Quantensysteme zugreifen, darunter mehrere 127-Qubit-Quantencomputer auf Basis des IBM Eagle-Prozessors.

Das IBM Quantencomputerzentrum in New York bietet über 20 Quantencomputersysteme für Kunden. (Quelle: IBM)

Noch stehen die Quantenrechner in den Rechenzentren von IBM. T-Systems plant allerdings – mit Unterstützung von IBM – künftig auch eine eigene Quanteninfrastruktur zu betreiben. Das Ziel ist es, Anwendern künftig die Technologie über einen Quanten-AppStore zur Verfügung zu stellen. Entwickler sollen Zugriff auf eine Quanten-Plattformen erhalten.


Und wie geht es derweil dem Bürokater?

Bürokater Casimir liebt Kartons und freut sich auf neue Experimente.
Kerstin Mende-Stief
Kerstin Mende-Stief
Publisher & Editor in Chief data-disrupted.de | Analyst | Ghost Writer | Tech Doku & Translations @ mende.media for B2B ICT only, open source first | Cocktail Mixer | House Electrician | cat herder

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