Es gibt mehr Vorzeigbares, als so mancher vermutet Quantencomputer: Stand der Technik

Autor / Redakteur: Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins* / Ulrike Ostler

Erste marktreife Lösungen der „Quanten-IT“ lassen die Quantenvorherrschaft in greifbare Nähe rücken, zum Beispiel quantenmechanische Hardwarebeschleuniger für Rechenzentren, Mainframes und die mobile Edge. Die Kommerzialisierung des Quantencomputings hat begonnen.

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Quantenphotonik: Ein Silizium-Wafer von Psiquantum mit mehreren ungehäusten „Q1“-Chips entsteht in einem 500 Schritte langen Fertigungsprozess bei Global Foundries. Auf jedem dieser Wafer befinden sich Zehntausende von Einzelphotonenquellen und Zehntausende von Einzelphotonendetektoren.
Quantenphotonik: Ein Silizium-Wafer von Psiquantum mit mehreren ungehäusten „Q1“-Chips entsteht in einem 500 Schritte langen Fertigungsprozess bei Global Foundries. Auf jedem dieser Wafer befinden sich Zehntausende von Einzelphotonenquellen und Zehntausende von Einzelphotonendetektoren.
(Bild: Psiquantum)

Die kommerzielle Verfügbarkeit von Quantencomputern scheiterte bisher an der „Schallgrenze“ der Skalierbarkeit von Fertigungsprozessen. Doch innovative Startups rütteln beharrlich an den Grenzen der technischen Machbarkeit des „Quantensprungs“ der Unternehmens-IT mit Ansätzen wie der Quantenphotonik und dem quantenanalogen Computing. Das eine oder andere Startup möchte die „Schallgrenze“ gerade durchbrochen haben und schickt sich an, an den etablierten Platzhirschen vorbeizuziehen.

Quantenmechanische Hardwarebeschleuniger (für Quantum-Mainframes)

Das australisch-deutsche Unternehmen Quantum Brilliance entwickelt quantenmechanische Beschleuniger, um Unternehmen den Einstieg in Quantencomputing und damit den Quantenvorteil mit einem Zeitvorsprung zuzusichern. Die erste Generation der Hardware, „Quantum Brilliance Gen1“, ist in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer Gesellschaft, dem Pawsey Supercomputing Centre und Australian National University entstanden und ist bereits kommerziell erhältlich.

„Quantum Brilliance Gen1“, ein quantenmechanischer Beschleuniger des australisch-deutschen Startups Quantum Brilliance, ist bereits kommerziell erhältlich.
„Quantum Brilliance Gen1“, ein quantenmechanischer Beschleuniger des australisch-deutschen Startups Quantum Brilliance, ist bereits kommerziell erhältlich.
(Bild: Quantum Brilliance)

Quantum Brilliance konzentriert sich darauf, CPUs und GPUs vergleichbarer Größe, Gewichtsklasse und Leistung mit robusten quantenmechanischen Hardwarebeschleunigern zu übertreffen. Massive Parallelisierbarkeit dieser Beschleuniger des klassischen Computing in Rechenzentren und mobilen Plattformen soll den Anwendungsbereich von Quantenberechnungen dramatisch erweitern.

Ein quantenmechanischer Hardwarebeschleuniger von Quantum Brilliance kommt ohne Keine Notwendigkeit für absolute Null-Temperatur aus, die ideale Voraussetzung für On-Premises- wie auch den mobilen Einsatz.
Ein quantenmechanischer Hardwarebeschleuniger von Quantum Brilliance kommt ohne Keine Notwendigkeit für absolute Null-Temperatur aus, die ideale Voraussetzung für On-Premises- wie auch den mobilen Einsatz.
(Bild: Quantum Brilliance)

Die Beschleuniger von Quantum Brilliance basieren auf Diamantquantencomputern. Sie lassen sich unter Umgebungsbedingungen bei Raumtemperatur mit vergleichsweise einfachen Kontrollsystemen betreiben und erbringen dennoch wettbewerbsfähige Leistungen. Beeindruckende Pionierleistungen deutscher Forscher haben es möglich gemacht.

Das australisch-deutsche Startup Quantum Brilliance will Unternehmen mit seinen quantenmechanischen Hardwarebeschleunigern den Aufstieg zu Quantenüberlegenheit ebnen.
Das australisch-deutsche Startup Quantum Brilliance will Unternehmen mit seinen quantenmechanischen Hardwarebeschleunigern den Aufstieg zu Quantenüberlegenheit ebnen.
(Bild: Quantum Brlliance)

Die wissenschaftlichen Erkenntnisse sind nicht neu, doch erst kürzlich hat die Fertigung mit der Theorie aufgeholt. Die Kerninnovationen von Quantum Brilliance haben die Barrieren der Skalierbarkeit, Miniaturisierung und Integration von Kontrollstrukturen durchbrochen und so die praktische Umsetzung von Quanten-Mikroprozessoren ermöglicht.

Energieflussmodellierung: Infinityq Technology

Das kanadische Startup Infinityq Technology setzt auf quantenmechanische Energieflussmodellierung statt auf Quantengatter. Mit dem Paradigma einer Energielandschaft lässt sich gewissermaßen ein analoger Chip nachahmen (siehe dazu auch „Quanten-Gate-Computer versus Annealer“). Mit dem Verzicht auf Gatter entfällt die aufwändige Verschaltung von Qubits.

In der Quanteninformationstheorie kann jedes Quantensystem mit zwei Zuständen als ein Qubit funktionieren. Infinityq Technology erzeugt künstliche Atome, die Schaltkreise ermöglichen, die sich wie ein Quantensystem verhalten. „Unsere Qubits sind quantenmechanische analoge Schaltkreise“ enthüllt Aurélie Hélouis, Geschäftsführerin und Mitgründerin des Unternehmens. „Wir sind im Moment näher am adiabatischen und am Annealing-Paradigma“, sagt sie. Als Kapitänleutnant der französischen Marine (im Ruhestand) blick sie auf über fünfzehn Jahre Erfahrung als Luftfahrt-Ingenieurin, leitende technische Offizierin eines Düsenflugzeuggeschwaders und leitende Informationsoffizierin einer Marine-Flugstation zurück.

Infinityq Technology hat es bereits knapp ein Jahr nach der Unternehmensgründung auf über 100 Qubits gebracht und möchte im Laufe des nächsten Jahres bei 10.000 Qubits ankommen. Mit der zunehmenden Miniaturisierung der Schaltkreise avisiert das Unternehmen die Bereitstellung einer On-Premise-Variante des Quantenrechners. Größere Kunden wie Finanzinstitute sollen in einem hybriden SaaS-Modell mehr Kontrolle über den Quantencomputer bekommen.

Als ein Beweis der Leistungsfähigkeit hat Infinityq Technology mit seiner Hardware das Problem des Handlungsreisenden, ein kombinatorisches Optimierungsproblem der theoretischen Informatik, für 128 Städte gelöst. Eine andere nicht-klassische Maschine der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) in Japan hat es in vergleichbarer Zeit erst auf 22 Städte gebracht; das Resultat wurde sogar auf einer Konferenz in 2020 als ein Rekord gefeiert.

Aurélie Hélouis, Mitgründerin und Geschäftsführerin von InfinityQ Technology, blickt als Kapitänleutnantin der französischen Marine auf über fünfzehn Jahre Erfahrung als Luftfahrt-Ingenieurin, leitende technische Offizierin eines Düsenflugzeuggeschwaders und leitende Informationsoffizierin einer Marine-Flugstation zurück. Als Nächstes will sie das Quantencomputing auf Vordermann bringen.
Aurélie Hélouis, Mitgründerin und Geschäftsführerin von InfinityQ Technology, blickt als Kapitänleutnantin der französischen Marine auf über fünfzehn Jahre Erfahrung als Luftfahrt-Ingenieurin, leitende technische Offizierin eines Düsenflugzeuggeschwaders und leitende Informationsoffizierin einer Marine-Flugstation zurück. Als Nächstes will sie das Quantencomputing auf Vordermann bringen.
(Bild: InfinityQ Technology)

Zum Vergleich: selbst jene „bescheidene“ Leistung hätte mit einer klassischen von-Neumannschen CPU rund 1200 Jahre gedauert. Es zeigt, wie schnell klassische Computer an ihre Grenzen stoßen.

Infinityq Technology ist also ein Quantensprung in wahrsten Sinne des Wortes gelungen. „Wir können Quantenüberlagerung ausreizen, aber wir brauchen keine Verschränkung wie andere Ansätze“, enthüllt Mitgründer Jean Michel Sellier, Professor der Quantenmechanik beim Forschungsinstitut Mila, Quebec AI Institute.

Die Technologie lässt sich in bestehende HPC-Installationen integrieren. Auf Grund der Raumtemperaturfähigkeit und des niedrigen Energiebedarfs böte sich der quantenanaloge Ansatz für Edge-Anwendungen an, spekuliert Dr. Kapanova, CTO von Infinityq Technology.

Ausbaupläne und Kooperationen

Das Unternehmen hat gerade einmal 1 Million Dollar an Seed-Finanzierung eingeworben und arbeitet derzeit mit Investor-Kunden, darunter einigen führenden Finanzinstituten und Pharmaunternehmen an Proofs-of-Concept.

In Mai 2021 hat Infinityq Technologies mit dem Konsortium Petascale Supercomputer-Bulgaria und Sofia Tech Park ein Moratorium der Verständigung unterzeichnet. Die Vereinbarung sieht die Installation eines Quantencomputing-Moduls auf dem bulgarischen Petascale-Supercomputer Discoverer vor, der sich im Sofia Tech Park befindet und aktuell auf der TOP500-Liste rangiert.

Europäische Wissenschaftler erhalten Zugang zu dem Quantenmodul für wissenschaftliche Berechnungen in Bereichen wie Molekulardynamik, Physik, Ingenieurwesen und anderen. Discoverer ist einer von fünf Petascale-Supercomputern in Europa und gehört zu der Initiative „EuroHPC JU“ (European High Performance Computing Joint Undertaking).

Das Projekt DAQC

Ein Konsortium namens IQM Quantum Computers bringt europäische Startups (darunter ParityQC, IQM), die Industrie (Infineon Technologies u.a.), Akademia (die Freie Universität Berlin) sowie Forschungs- und Supercomputing-Zentren (darunter Forschungszentrum Jülich und Leibniz Supercomputing Centre) zusammen, um Europas Bemühungen um die Quantenführerschaft zu beschleunigen. Es hat sich zum Ziel gesetzt, diese Initiative als Systemintegrator zu leiten.

Europa war schon immer exzellent in der akademischen Forschung, aber in den letzten Jahren hat sich der globale Wettbewerb beim Quantencomputing noch weiter verschärft. Als Reaktion darauf hat Deutschland mit frischen Finanzierungsspritzen nachgeholfen. Das Konsortium erhielt unter anderem Forschungsgelder in Höhe von 12,4 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für das Projekt DAQC.

Projekt DAQC avisiert die Herstellung und kontinuierlichen Betrieb eines digital‐analogen Quantencomputers (kurz: DAQC) samt der dazugehörigen Kalibrier‐ und Steuertechnik. Der Quanten‐Prozessor soll in einer HPC-Umgebung die Funktion eines Rechenbeschleunigers einnehmen.

Der Ansatz des digital‐analogen Quantencomputing (DAQC) ergänzt die Flexibilität von digitalen Schaltkreisen um die Robustheit analoger Rechenblöcke. Damit sollen bereits in den nächsten Jahren mittels DAQC sowohl Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy) und ein echter Quantenvorteil (Quantum Advantage) entstehen.

Ionq

Bei Quantenmechanik gilt: Temperaturkontrolle ist König. Auch Ionq hat das Problem auf dem Radar. Das Quantencomputing-Startup plant die Markteinführung eines modularen, Rack-montierten Quantencomputers für Rechenzentren bereits im Jahre 2023. Das System von IonQ nutzt eine andere Ionenfalle als IBM und D-Wave und ist raumtemperaturfähig.

Ionq schreibt sich einige Rekorde zu, aber momentan gibt es noch nicht viel anzufassen. Heiße Luft in Tüten also? Wohl kaum.

Ionq hat Rückendeckung von Google Ventures, Amazon Web Services, Samsung, Microsoft, Bosch, Hewlett Packard, Airbus und anderen Großgewichten. Es durfte kürzlich sein Debüt auf dem Börsenparkett feiern.

Unternehmen und Forschungsorganisationen, die schon heute mit ihren großen Datensätzen und schweren Arbeitslasten klassische Supercomputer in die Knie zwingen, können aufatmen: Quantencomputing wagt gerade den „Quantensprung“ zur Marktreife.

Anna Kobylinska und Filipe Martins

Auch die nötige breit gefächerte Branchenexpertise ist da. Jagdeep Singh, der Geschäftsführer von Quantumscape, und Margaret Williams, ehemals stellvertretende Leiterin von R&D bei Cray, zählen neben drei führenden Akademikern ganz offiziell zu den Beratern des Ionq-Vorstands.

Mit milliardenschwerer Finanzierung könnte der Anlauf einer Fertigungslinie von Quantenchips für modulare, Rack-montierte Quantencomputer durchaus klappen.

Psiquantum

Psiquantum möchte „in einer Handvoll on Jahren“ einen fehlertoleranten Quantencomputer mit einer Million Qubits in Serie herstellen. Die avisierten Eckdaten erfordern Qubit-Gates mit extrem hohen Fidelitäten.

Um das hochgesteckte Ziel zu erreichen hat sich das Quanten-Startup mit dem Halbleiterhersteller Global Foundries zusammengetan und im Silicon Valley niedergelassen. Die beiden Unternehmen verfügen bereits als erste weltweit über die Fähigkeit zur Massenfertigung von Kernkomponenten des Quantensystems, darunter Einzelphotonenquellen und Einzelphotonendetektoren, in hoher Präzision, und zwar mit den Standardfertigungsprozessen der Halbleiterfabrik von Global Foundries, einer der drei größten Silizium-Chip-Schmieden der Welt mit eigener Expertise in Silizium-Photonik.

Der von Psiquantum entwickelte siliziumphotonische Quantenchip könnte eine Reihe von bisher unerreichbaren Aufgaben quer durch alle Branchen ermöglichen.
Der von Psiquantum entwickelte siliziumphotonische Quantenchip könnte eine Reihe von bisher unerreichbaren Aufgaben quer durch alle Branchen ermöglichen.
(Bild: Psiquantum)

„Es ist eine Multi-Milliarden-Dollar-teure Fertigungsanlage, die mehrere Milliarden von Chips und Komponenten für marktübliche Handys und Laptops herstellt“, freut sich einer der vier Mitgründer, Dr. Jeremy O’Brien. Wenn man hohe Kapazitäten und Performance aber wenig Verschnitt will, müsse man seinen Quantencomputer eben in einer bestehenden Halbleiteranlage bauen.

Vor rund sechs Jahren hatte Global Foundries IBMs Mikroelektronik-Sparte akquiriert und sich so die Expertise aus dem Forschungsprojekt RFSOI (RF Silicon-on-insulator) angeeignet. Jetzt trägt das Know-how Früchte.

Denn Psiquantum setzt in der Chip-Architektur auf Quantenphotonik eben. „Wir haben uns im Vergleich zum Rest der Branche auf eine sehr konträre Wette eingelassen“, sagt O'Brien.

Die Entscheidung für einen photonischen und nicht für einen auf Materie basierenden Ansatz und für ein großes System mit einer Million Qubits und robuster Fehlerkorrektur im Gegensatz zu einem kleinen, verrauschten sei für den kommerziellen Nutzwert entscheidend gewesen. Das Unternehmen arbeitet mit einer wachsenden Zahl von Kunden aus der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Pharmaindustrie und der Finanzbranche, um herauszufinden, wie es ihre ganz konkreten Probleme mit seinen großen fehlerkorrigierten Quantencomputern lösen könnte.

Die serienfähige Prozesslinie von Global Foundries

Eine der wichtigsten technischen Errungenschaften im Q1-System ist die Integration von supraleitenden Einzelphotonendetektoren in die serienfähige Prozesslinie von Global Foundries. Integrierte supraleitende Einzelphotonendetektoren wurden zwar schon früher gebaut, aber nicht in Stückzahlen, die fehlertolerantes Quantencomputing im kommerziellen Maßstab ermöglichen könnten. Fortschrittliche Werkzeuge sowie die strenge Prozess- und Qualitätskontrolle der CMOS-Mikroelektronikindustrie hätten dies jetzt ermöglicht.

„Als wir uns Psiquantum zum ersten Mal vorstellten, wussten wir, dass die richtige Größenordnung des Systems eine existenzielle Frage sein würde“, kommentiert Pete Shadbolt, Chief Strategy Officer und Mitbegründer von Psiquantum. Gemeinsam mit Global Foundries habe man jetzt „den Herstellungspfad für die Silizium-Photonik validiert“ und sei zuversichtlich, mit der Montage einer endgültigen Maschine Mitte des Jahrzehnts beginnen zu können.

Der „Q1“ von PsiQuantum ist ein vollständig integrierter Quantenchip.
Der „Q1“ von PsiQuantum ist ein vollständig integrierter Quantenchip.
(Bild: Psiquantum)

Der quantenphotonische Chip von Psiquantum, der Q1, integriert neueste Errungenschaften in der Steuerelektronik, der optischen E/A, dem Packaging und der umgebenden Chip-Baugruppe. Die hochmodernem elektronischen Steuerchips für den Q1 entstehen in der Fab 1 von GlobalFoundries im sächsischen Dresden, der Q1-Prozessor in einer Fabrik im U.S.-Bundesstaat New York.

Die Quantencomputer von PsiQuantum werden anders als jene von Ionq vorerst nicht in einen Rack passen. Sie dürften in der Bauform und Größe eher mit heutigen Supercomputern und Rechenzentren vergleichbar sein. Die meisten Nutzer werden auf die Maschinen aus der Ferne zugreifen.

Quantenpraktikabilität: Intel Horse Ridge II

Auf dem Weg zur Marktreife müssen sich Quantenschmieden wie Psiquantum mit der Problematik der Kühlung ihrer Systeme auseinandersetzen. Dies ist nach wie vor eine zentrale Herausforderung im Hinblick auf die Skalierbarkeit der Quantenchips wie auch der Fertigung. Konkrete Lösungen nähern sich in Siebenmeilenstiefeln der Marktreife.

„Horse Ridge II“, Intels kryogener Steuerchip der zweiten Generation, integriert wichtige Steuerfunktionen für den Betrieb von Quantencomputern in den kryogenen Kühlschrank, so nah wie möglich an die Qubits selbst, um die Komplexität der Steuerverdrahtung für Quantensysteme zu minimieren.
„Horse Ridge II“, Intels kryogener Steuerchip der zweiten Generation, integriert wichtige Steuerfunktionen für den Betrieb von Quantencomputern in den kryogenen Kühlschrank, so nah wie möglich an die Qubits selbst, um die Komplexität der Steuerverdrahtung für Quantensysteme zu minimieren.
(Bild: Intel Corporation)

Mit der Vorstellung von „Horse Ridge II“, dem kryogenen Steuerungs-Chip der zweiten Generation im Dezember 2020, hat Intel einen weiteren Meilenstein auf dem Weg zur Überwindung der Skalierbarkeitsprobleme von Quantencomputing erreicht. Zu den neuen Funktionen gehört die Fähigkeit, Qubit-Zustände zu manipulieren und zu abzulesen sowie das Potenzial mehrerer Gatter zur Verschränkung mehrerer Qubits zu steuern.

Horse Ridge II ist in Intel 22nm Low-Power FinFET Technologie (22FFL) implementiert und hat Tests bei 4 Kelvin absolviert. Genau diese Temperatur benötigt PsiQuantum für seine integrierten supraleitenden Einzelphotonendetektoren, das einzige Element des Q1-Chips, der Kühlung im „quantenmechanischen“ Maßstab voraussetzt. 4 Kelvin entspricht -269.15 Grad Celsius.

* Das Autoren-Duo Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeitet für McKinley Denali Inc. (USA).

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