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Quantencomputer : Computer üben den Quantensprung

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Gekühlte Lichtleiter des Quantencomputers IBM Q System One, der von der Fraunhofer Gesellschaft eingesetzt wird. Bild: Graham Carlow Photography

Quantencomputer laufen inzwischen stabil. Sie ziehen in die konventionellen Rechenzentren ein. Doch beim Umzug in die Datenzentren gibt es einige Herausforderungen zu bewältigen.

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          Die Universität der Bundeswehr baut in München derzeit ihren Quantencomputer-Hub aus. Die Fraunhofer Gesellschaft will noch in diesem Jahr die ersten universellen Quantencomputer in Betrieb nehmen. Und die Bundesregierung hat im Rahmen ihrer Covid-19-Konjunkturhilfe zwei Milliarden Euro als Anschubfinanzierung zur Verfügung gestellt, damit der Quantencomputer den Weg in den Alltag des Höchstleistungsrechnens ohne Reibungsverluste schafft. Das wäre dann gleichsam ein Quantensprung in der Computerwelt, wüssten wir nicht, dass das rein physikalisch nur ein winziger Schritt ist.

          Die Nachfrage nach Quantencomputing wächst. Fachleute des Finanzdienstleisters Morgan Stanley prognostizieren einen jährlichen Umsatz von neun Milliarden Euro bis zum Jahr 2025. Die Lage auf dem Quantencomputermarkt sieht von außen unübersichtlich aus. Auch deshalb, weil die Entwickler von Quantencomputern ihre Projekte unter strenger Geheimhaltung betreiben. Aber eine Botschaft geben sie gern heraus: Die Hersteller von Quantencomputern haben volle Auftragsbücher. So konnte D-Wave erst kürzlich ein halbes Dutzend Quantenrechner an Militärs und Forschungseinrichtungen liefern.

          IBM und Google starten schon lange einen Wettlauf, wer mehr Quantenbits (Qubits) in kürzerer Zeit zur Verfügung stellen kann. Der chinesische Internet-Konzern holt bei der Entwicklung mächtig auf. Dessen Entwicklungsingenieure haben die Grenze von 127 Quantenbits ins Auge gefasst. Ob die allerdings noch in diesem Jahr geknackt werden kann, weiß derzeit niemand. IBM hat für das Jahr 2022 sogar einen Quantencomputer mit 433 Qubits angekündigt.

          Entscheidend ist die Qualität der Quantenbits

          Die Rechenleistung der Quantencomputer verdoppelt sich mit jedem Quantenbit. Deshalb ist das Rennen um den Computer mit den meisten Qubits spannend. „Allerdings ist die Anzahl der Qubits keine gute Größe, um die Leistungsfähigkeit der Anlagen zu vergleichen“, erklärt Heike Riel, die Leiterin der Quantencomputer-Entwicklung am IBM-Forschungslabor im schweizerischen Rüschlikon.

          Zum einen gibt es verschiedene Arten von Quantencomputern. So unterscheiden die Entwickler universelle Quantencomputer von Quantenannealern, die für ganz spezifische Aufgaben entwickelt wurden. Auch bei den universellen Quantencomputern haben wir es mit unterschiedlichen Implementierungen zu tun.

          Fit für Qubit-Anwendungen: Quantencomputer im Rechenzentrum
          Fit für Qubit-Anwendungen: Quantencomputer im Rechenzentrum : Bild: Hersteller

          „Das Quantenvolumen ist im Vergleich aussagekräftiger, weil man sehen kann, wie viel Quantencomputing man mit einer bestimmten Implementierung durchführen kann“, erläutert Riel. Entscheidend ist dabei die Qualität der Quantenbits. Dazu zählt etwa die Zeit, die ein Quantensystem stabil bleibt, um rechnen zu können, man spricht von Kohärenzzeit. Auch die Zahl der Quantenbits, die miteinander verbunden werden können, geht in die Berechnung des Quantenvolumens ein. Damit die Fehlerraten möglichst gering gehalten werden, muss das Grundrauschen in den Quantenbits eliminiert werden. Dieses Grundrauschen bezeichnen die Entwickler auch als Lärm oder Noise.

          Erschütterungsfrei und unter Vakuumbedingungen

          Im Labor liefern Quantencomputer schon seit einigen Jahren befriedigende Ergebnisse. Allerdings wird dort auch ein großer Aufwand getrieben, um die fragilen Quanten gegen schädliche Umwelteinflüsse abzuschirmen. Erschütterungsfrei und unter Vakuumbedingungen werden die Qubits in sogenannten Kryostaten fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Unter solchen Bedingungen rechnen Quantencomputer sehr stabil. So hat sich die Zahl der industriellen Anwendungen in den letzten Jahren vervielfacht. Wirtschaftswissenschaftler lassen zum Beispiel ihre Risikoanalysen auf Quantencomputern rechnen. Sie eigenen sich auch besonders gut dazu, die Eigenschaften von Materialien zu berechnen. Im Flugzeugbau, in der Medizin und in der Automobilindustrie sind solche Anwendungen äußerst gefragt.

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