Innovation

Quantencomputer – wenn Nullen und Einsen nicht mehr alles sind

Für Jahrzehnte war die Leistungssteigerung von Prozessoren der Taktgeber der IT-Branche. Je nachdem, welcher Auslegung des Mooreschen Gesetzes man folgte, verdoppelte sich durch die Einführung neuer Technologien und Materialien die Anzahl der aktiven Komponenten auf einem Chip etwa alle 18 Monate – sprich, die Komponenten wurden immer mehr, immer kleiner, der Prozessor damit immer schneller. Jetzt deutet sich an, dass die Regeln der Physik einer weiteren Miniaturisierung und höheren Prozessorgeschwindigkeit im Wege stehen.

Quanteneffekte – die unerwartete Chance

Das begründet sich darin, dass das Material in den Leiterbahnen nur noch wenige Atomlagen dick ist und Phänomene zum Tragen kommen, die seit den Arbeiten von Heisenberg in den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt sind: Die Quanteneffekte. Bisher eher ein Ärgernis und Störfaktor, aber ohne großen Belang für die Mikroelektronik, verhindern sie eine weitere Verkleinerung der Strukturen, weil diese Effekte Elektronen beeinflussen und damit die Zuverlässigkeit von klassischen Computern beeinträchtigen.

Wenn also Moores Law durch die Quantenphysik beschränkt ist – wie können Computersysteme dennoch in Zukunft den wachsenden Anforderungen gerecht werden? Natürlich gibt es Ansätze auf Basis bekannter Technologien: Die Entwicklung von Chips für spezielle Aufgaben, die in ein System integriert oder immer wieder neu programmiert werden können. Neue Aufbau- und Verbindungstechniken, die Chips stapeln und so die bestehende Fläche besser nutzen.

IBM AND GLOBALFOUNDRIES SIGN AGREEMENT

Man kann das Ganze aber einfach auch von der anderen Seite betrachten und beginnen, die Quanteneffekte zu nutzen, um sie auf die Informationstechnologie anzuwenden. IBM Research arbeitet bereits seit einigen Jahren erfolgreich an einer Reihe von Projekten auf diesem Gebiet – inklusive dem Aufbau eines Quantencomputers.

Der Quantencomputer

Das Konzept eines Quantencomputers klingt zunächst gleichermaßen einfach wie verwirrend:  Die grundlegendste Information, die ein heutiger Computer versteht, ist das Bit, das bekanntermaßen den Wert „0“ oder „1“ darstellen kann. Quantencomputer dagegen arbeiten mit sogenannten Quantenbits (Qubits), die mit physischen Teilchen realisiert werden, zum Beispiel einem Atom, Elektron oder Photon. Qubits unterliegen der Quantenphysik. Sie können neben den Zuständen „0“ und „1“ auch beide Zustände gleichzeitig annehmen. Diese besondere Eigenschaft wird als Superposition bezeichnet. Die zweite wichtige Eigenschaft ist, dass mehrere Qubits miteinander durch die sogenannte Quantenverschränkung agieren können. Dabei lässt sich der kombinierte Gesamtzustand mehrerer Qubits beschreiben, aber nicht mehr durch Kombination der einzelnen Qubits definieren. Anhand dieser beiden Eigenschaften der Quantenphysik, Superposition und Verschränkung, lassen sich Quantencomputer realisieren, die bestimme Berechnungen um ein Vielfaches schneller als konventionelle Computer durchführen können.

Das Problem: Quantenzustände sind sehr empfindlich, da die für Qubits verwendeten Teilchen bei der Wechselwirkung mit Materie, Wärme, Geräuschen, Vibrationen oder elektromagnetischer Strahlung ihre Information verlieren. Deshalb besteht diese Superposition – auch Überlagerungszustand genannt – nur für wenige Mikrosekunden, in denen die Daten für eine Rechenoperation in den Quantencomputer eingelesen, berechnet und wieder ausgegeben werden müssen. Die große Herausforderung liegt also darin, den Quantencomputer von Störungen fernzuhalten, aber gleichzeitig zu steuern – was letztlich auch wieder eine Störung darstellt.

Die 5 Qubit-Installation von IBM Research

Quantencomputer-Installationen sind also kompliziert, fragil und brauchen eine besondere Umgebung: Im IBM Research Lab Yorktown Heights im US-Bundesstaat New York haben unsere Forscher eine spezielle Kühlkammer für einen Quantencomputer mit fünf Qubits gebaut, in der eine Temperatur von -273 Grad Celsius herrscht. Das entspricht in etwa der Temperatur des leeren Weltalls. Die Qubits bestehen aus einem supraleitenden Metall auf einem Siliziumchip, der wie bisher übliche Prozessoren designt und produziert werden kann. Die hierbei verwendete Architektur erlaubt die Skalierung auf größere Quantensysteme mit mehr Qubits auf dem Weg zu einem universellen Quantencomputer. Wir erwarten, dass mittelgroße Systeme mit 50-100 Qubits im nächsten Jahrzehnt realisiert werden können. Einem Quantencomputer mit gerade einmal 50 Qubits könnte kein Superrechner der gegenwärtigen TOP500-Liste in puncto Rechenleistung das Wasser reichen. Anwendungen bei Optimierungsproblemen und der chemischen Forschung werden voraussichtlich die ersten sein, die durch Quantencomputer massiv beschleunigt werden können. Gerade Quantenchemie, also die Anwendung von Quantenmechanik auf chemische Problemstellungen ist ein prädestiniertes Einsatzgebiet: Die Komplexität der uns umgebenden Materialien und Stoffe ist gewaltig. Quantencomputer erlauben es uns, diesen Zusammenhängen auf den Grund zu gehen, weil sie genau so funktionieren wie die Natur und ihre Materialien. Das eröffnet die Chance, Natur besser zu simulieren, als es konventionelle Computer je können werden.

Gemeinsam in Richtung eines universellen Quantencomputers

IBM hat Anfang des Monats einen Zugang zu der oben genannten Quantencomputer-Installation über die IBM Quantum Experience Plattform eingerichtet: Jeder Interessierte kann mittels Desktop-Computer oder Mobilgerät über die IBM Cloud darauf zugreifen, Experimente durchführen, verschiedene Algorithmen testen, mit den individuellen Qubits arbeiten und in Online-Seminaren und Simulationen mehr darüber erfahren, was Quantencomputer alles möglich machen könnten. Dieser freie, ungehinderte Zugang für Individuen, Forschungseinrichtungen und Unternehmen soll dazu beitragen, Quantencomputing aus dem wissenschaftlichen Elfenbeinturm zu holen und auf eine breitere Basis zu stellen. Wir leisten damit einen wichtigen Beitrag, bestehende Informationstechnologie und die ihr zugrundeliegenden Mechanismen neu zu hinterfragen und die Türen für die Computer der übernächsten Generation aufzustoßen.

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