Zum World Quantum Day: Was bringen immer mehr Qubits?

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Mit 54 Qubits gelang es Google erstmals 2019, die Überlegenheit von Quantencomputern zu beweisen – zumindest theoretisch. Mit dem Quantenchip Sycamore berechneten die Google-Forscher eine komplexe Zufallsverteilung, deren praktischer Nutzen zwar gering war. Aber das Unternehmen konnte behaupten, als erstes mit Quantenrechner klassische Computer übertroffen zu haben. Denn auch der stärkste verfügbare Supercomputer hätte für die Rechnung vermutlich 10.000 Jahre gebraucht.

Seitdem wächst die Zahl der Qubits bei Quantencomputern rasant. Die Entwickler von Quantenrechnern vermelden derzeit nahezu monatlich erhebliche Fortschritte. 2021 macht IBM Schlagzeilen mit einem Quanten-Chip mit 127 Qubits – zum ersten Mal wurde die 100er-Marke damit überschritten. Gleichzeitig legte der Konzern eine extrem ambitionierte Roadmap vor. Bis 2023 will IBM gar eine Quantenlösung mit 1000 Qubits liefern.

Fokus: Quantentechnologie

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Unterdessen melden sich auch andere Player zu Wort. Das US-Start-up QuEra Computing beispielsweise hat einen „Quantensimulator“ – einen spezialisierten Quantencomputer – mit 256 Qubits gebaut. Und das australische Start-up QuantumBrilliance will in den kommenden Jahren „Quanten-Beschleuniger“ auf Diamant-Basis anbieten, die bei Zimmertemperatur arbeiten und klassische Computer bei extrem aufwendigen Berechnungen unterstützen sollen. Wenn IBM schon so weit ist, sind dann diese Start-ups noch weiter? Und bedeuten 1000 Qubits tatsächlich, dass Quantencomputer praktisch nutzbar werden?

Um die Entwicklung besser zu beurteilen, spricht Bob Sutor von IBM vom „Quantengeschäftsvorteil“ – dem Punkt, an dem ein Quantencomputer nützliche Probleme für Forscher oder Unternehmen „deutlich schneller“ lösen kann als klassische Computer. Aber wann wird dieser Punkt erreicht? Sicher nicht in den nächsten zwei bis drei Jahren. Laut Sutor sei aber „innerhalb des nächsten Jahrzehnts“ auf jeden Fall damit zu rechnen. Unklar ist jedoch, welche Technologie sich durchsetzen wird – und welche Probleme auf diesem Weg noch lauern.

Theorie und Praxis

Um zu begreifen, warum Quantencomputer perspektivisch so interessant sind, muss man ihre Funktionsweise zumindest grob verstehen. Quantencomputer nutzen Qubits statt Bits. Während Bits den Wert 0 und 1 annehmen können, kann ein Qubit sich auch in einem Zwischenzustand befinden. Physikalisch wird ein Qubit durch ein Quantensystem gebildet, das sich in einem aus zwei Basiszuständen zusammengesetzten Überlagerungszustand befindet. Um Qubits im Quantencomputer miteinander zu verknüpfen – also mit ihnen zu rechnen – werden sie quantenmechanisch miteinander verschränkt. Die beiden Mitglieder eines Paares befinden sich dann in einem einzigen Quantenzustand. Ändert sich der Zustand eines der Qubits, ändert sich der Zustand des anderen in vorhersehbarer Weise – selbst wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind. Die Anzahl der verbundenen Qubits erhöht die Quantenrechenleistung also exponentiell.

Supraleiter als Platzhirsch

Bei der praktischen Implementierung von Quantencomputern gibt es aber diverse offene Fragen: Welche physikalischen Systeme eignen sich am besten für den Bau eines Quantencomputers? Wie können Fehler in Quantensystemen korrigiert werden? Und wie kann man einen Quantenrechner außerhalb eines hoch spezialisierten Labors betreiben, der nur bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt arbeitet – und das auch noch wirtschaftlich? Auf all diese Fragen haben verschiedene Entwickler natürlich auch verschiedene Antworten.

IBM setzt auf supraleitende Technologie mit sogenannten Transmon-Qubits. Ein Transmon ist so etwas wie ein Schwingkreis, ein Schaltkreis, der relativ leicht herzustellen und zu manipulieren ist. Die Qubits sind über Mikrowellen-Leiter verbunden, damit man sie in eine Verschränkung bringen kann. Aber sie sind extrem störanfällig – durch Wärme, Radioaktivität oder sogar kosmische Hintergrundstrahlung – und je mehr Leitungen man auf dem Chip hat, desto mehr Störungen gibt es. Die Skalierung solcher Systeme ist nicht einfach. Man muss die Qubits extrem kühlen und man braucht für jedes effektive Qubit zusätzliche physikalische Qubits, um Informationen überhaupt auslesen zu können.

IBM versucht, diese Probleme mit einer sogenannten Heavy-Hex-Anordnung auf dem Chip in den Griff zu bekommen. Die Qubits werden in einer Art Hexagon angeordnet, in dem ein Qubit nur maximal drei Nachbarn haben kann. „Das hat für uns viele Vorteile“, sagt Birgit Schwarz, Quantum-Programmdirektorin bei IBM DACH. „Es ist eine gute Balance zwischen der Möglichkeit zur Ansteuerung und Verschränkung von Qubits und der Vermeidung von Cross-Talk zwischen ihnen.“ Bisher bestand immer die Gefahr, dass bei der Ansteuerung eines einzelnen Qubits auch ein Nachbarqubit angeregt wird. Das Konzept der Heavy-Hex-Weise ist auch die Basis des Eagle-Chip, der Schlagzeilen machte, weil er mit 127 Qubits als Erster die 100er-Marke überschritt. Darauf aufbauend, mit Fortschritten in der Fertigungs- und Kühltechnologie, soll der 433-Qubit-Chip „Osprey“ im Jahr 2022 auf den Markt kommen, der 1121-Qubit-Chip „Condor“ steht auch schon auf der Roadmap.

Ionen, Atome und Spins

Doch trotz kontinuierlicher Fortschritte in den letzten zehn Jahren hat sich die Verbesserung der Fehlerrate bei supraleitenden Systemen verlangsamt. Deshalb gibt es vermehrt alternative Ansätze – zum Beispiel sogenannte Ionen-Fallen, wie sie die US-Firma IonQ und das europäische Leuchtturm-Projekt Aqtion nutzten. Dabei werden geladene Teilchen – die Ionen – räumlich durch elektromagnetische Felder fixiert. Das Qubit entsteht wiederum durch dann zwei verschiedene Energie-Level des Ions, die mit Lasern erzeugt werden. Supraleitende Rechner gelten derzeit zwar als schneller, aber die Qubits von Ionen-Rechnern sind stabiler – sie eignen sich vermutlich besser für längere, komplexere Algorithmen. Allerdings laufen die Quanten-Berechnungen bei Ionenfallen-Rechnern langsamer, und die Zahl der Qubits, die sich so nutzen lässt, ist – zumindest bisher – kleiner als bei supraleitenden Rechnern.

Die französische Firma Pasqal, die US-Firma QuEra sowie die Universität Stuttgart setzen wiederum auf eine andere Quantencomputer-Architektur. Diese basiert auf sogenannten Rydberg-Zuständen als Qubits. Das sind hoch angeregte Zustände einzelner Atome, bei denen die äußeren Elektronen weit vom Atomkern entfernt sind. Sie werden nicht abgespalten wie Ionen. Die Systeme nutzen ebenfalls Laserpulse, allerdings um die Rydberg-Atome gegeneinanderzuschubsen, damit sie sich gegenseitig beeinflussen können. Die Positionierung der Qubits ermöglicht es, die Maschine zu programmieren. Pasqal und QuEra hoffen, auch damit innerhalb von zwei Jahren 1000 Qubits zu erreichen, und dann, ohne große Modifikationen an der Grundplattform, auf über Hunderttausende von Qubits hinaus skalieren zu können.

Das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen erforschen hingegen transistorähnliche Ansätze: Dabei werden Elektronen in Halbleiter-Strukturen eingefangen und dann wird der Spin – der quantenmechanische Drehimpuls – dieser Elektronen verwendet, um darin Quantenzustände zu speichern. Die werden dann aneinandergekoppelt, um daraus Prozessoren zu entwickeln. „Ein offensichtlicher Vorteil davon ist, dass die Herstellung viel näher an der CMOS-Technologie ist“, sagt Hendrik Bluhm, Leiter des JARA-Instituts für Quanteninformation. Die CMOS-Technologie wird für den Bau von integrierten Schaltkreisen verwendet, darunter Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Speicherchips und andere Logikschaltungen. Bluhm sagt: „Die CMOS-Technologie ist die einzige, die wir haben, um zu günstigen Kosten sehr komplexe Systeme mit Milliarden von funktionalen Einheiten wie Transistoren oder Speicherzellen herzustellen, sodass, wenn das Ganze funktioniert, es leichter sein wird, industrielle Fabrikationsmethoden für hohe Qubitzahlen zu nutzen.“

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Kohärenz-Eigenschaften, also die Robustheit der Quanten-Zustände, ebenfalls besser und weniger störanfällig sind als bei den supraleitenden Qubits. Außerdem sind die Halbleiter-Qubits kompakter: Sie hätten dann voraussichtlich die Größe etwa eines klassischen Pentium-Chips, und das könnte mit sogenannter hochintegrierter Kontrollelektronik auch für einen Teil des Kontrollsystems gelten. Man brauche zwar ebenfalls aufwendige Kühlsysteme, aber diesen ganzen Salat an Drähten, die daran hängen, bräuchte man dann nicht mehr, weil alles stärker integriert sei, so Bluhm. „Aber man muss natürlich sehen, dass unser Ansatz jünger ist und manche Hürden, die für andere Plattformen schon identifiziert wurden, jetzt möglicherweise noch nicht ersichtlich sind. Wir wissen nicht, welche Überraschungen noch auf uns warten.“

„Quantenberechnung ist wie eine Symphonie.“

Das könnte durchaus auch für das australisch-deutsche Start-up QuantumBrilliance gelten. Das Start-up setzt für seine Quantensysteme, die bei Zimmertemperatur arbeiten, auf Diamanten – genauer gesagt auf sogenannte Farbzentren in Diamanten. Dabei handelt es sich um Fehlstellen in Diamantgittern („Nitrogen Vacancy“) – Orte, an denen ein Kohlenstoffatom fehlt. Nistet sich dort ein Fremdatom ein, verbinden sich zwei freie Elektronen, die man als Qubits nutzen kann. Da Diamanten hart sind, treten thermische Schwingungen bei Wärme bei Zimmertemperatur nicht auf. Die praktische Anwendung solcher Qubits hat allerdings bisher noch Grenzen, denn NV-Zentren in Diamanten sind selten und die einzelnen Qubits damit weit voneinander entfernt. In einem Kooperationsprojekt mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik und der Universität Ulm will QuantumBrilliance daher die gezielte Erzeugung und Platzierung von NV-Zentren erforschen.

Die Frage der Kühlung

Auch die richtige Kühlung ist neben der Fehlerkorrektur für den Fortschritt der meisten Quantenrechner entscheidend. Dabei nutzen Hersteller wie IBM Mischungskryostate – Kühlsysteme, bei denen die Isotope Helium 3 und 4 gemischt werden. Das hat zur Folge, dass das Element Helium dem System Wärme entzieht. Auf diese Weise erreichen die Hersteller innerhalb von einigen Tagen die für Quantenrechner notwendigen Temperaturen um wenige Millikelvin. IBM entwickelt gerade ein solches System unter dem Namen Goldeneye – es soll dazu in der Lage sein, eine Million Qubits zu kühlen.

Das Problem ist: Helium 3 ist ein Isotop, dessen Vorkommen vergleichsweise selten ist. Eine reiche Quelle vermutet man zwar auf dem Mond, aber der Abbau ist noch Zukunftsmusik. Die Münchner Firma Kiutra entwickelt nun als Alternative eine Kühltechnik basierend auf Magnetismus. Dabei werden bestimmte Materialien, die einen großen magnetokalorischen Effekt haben, in ein Magnetfeld gebracht. Dadurch erwärmen sie sich. Führt man die Wärme in ein geeignetes Wärme-Reservoir ab und trennt das Material von seiner Umgebung, kühlt es alle Bestandteile, die daran gekoppelt sind. Man kann damit sehr tiefe Temperaturen unter einem Kelvin erzeugen.

Forscher der finnischen Aalto-Universität und des Technischen Forschungszentrums VTT haben einen Mikrowellen-Controller vorgestellt, der in der Nähe des absoluten Nullpunkts arbeiten kann. Das Gerät hat einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter, weshalb man es direkt beim Quantenprozessor, an den es seine Signale sendet, unterbringen kann. Das macht die Verlegung einer großen Anzahl von Drähten überflüssig. Bisher benötigt jedes Qubit in supraleitenden Systemen drei Drähte, um Mikrowellensignale ein- und auszutragen. Das bedeutet, dass die Kühlschränke bei steigender Qubitzahl größer werden. Außerdem müssen sie mehr Energie aufwenden, weil Wärme aus den Kabeln austritt. Allein die Kosten für die Verkabelung können sich bei einem Quantencomputer auf eine Million Euro belaufen. Derzeit kann der finnische Controller freilich nur eine einzige kontinuierliche Welle aussenden. Um das Qubit zu steuern, muss es in der Lage sein, auch Pulse abzugeben.

Kurz gesagt: Die Bauweisen bei Quantenrechnern sind so vielfältig wie die Probleme, die es noch zu lösen gibt. Aber Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit erzielten in den vergangenen Jahren ermutigende Fortschritte bei der Bewältigung einiger der größten Herausforderungen – diese gilt es nun, in Einklang zu bringen. Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau und Physik am MIT, vergleicht Quantenrechner nicht zu Unrecht mit Musik: „Eine klassische Berechnung ist wie eine Solostimme – eine Reihe von reinen Tönen, die aufeinander folgen. Eine Quantenberechnung ist wie eine Symphonie – viele Linien von Tönen, die sich gegenseitig beeinflussen.“ Und eine erste Symphonie könnte durchaus in dieser Dekade erklingen – nur welche Instrumente den Ton angeben, das ist noch nicht entschieden.

(bsc)