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Forschung: Der Quantencomputer kommt voran

Der Quantencomputer rückt näher.
Der Quantencomputer rückt näher.
Foto: futurezone
Die EU sowie China investieren und Unternehmen wie IBM befinden sich mitten im Forschungsprozess: So nimmt der Quantencomputer langsam Form an.

Mit Quantencomputern sollen sich in Zukunft Probleme lösen lassen, die mit klassischen Rechnern nur in sehr langer Zeit oder gar nicht bearbeitet werden können. Der Vorteil der Quantenrechner ist, dass Qbits nicht wie klassische Bits nur zwei fix definierte Zustände einehmen können, sondern auch beliebige Überlagerungszustände. So sollen sich auch Probleme, die heutige Computer überfordern, wie das Handelsreisendenproblem oder die Primfaktorenzerlegung großer Zahlen, gelöst werden können. Dadurch würde etwa das heute gängigste Verschlüsselungsverfahren auf einen Schlag unbrauchbar.

EU und China investieren

"Welche Probleme mit Quantencomputern lösbar sind und wie groß der Geschwindigkeitsgewinn wäre, ist derzeit Gegenstand der Forschung. Da Moore's Law langsam in Schwierigkeiten gerät und die Techfirmen sich deshalb umorientieren müssen, wird derzeit viel Geld in die Erforschung gesteckt", erklärt Stefan Filipp von IBM Research in Zürich bei einem Pressetermin in Wien.

Die EU wird eine Milliarde Euro in ein entsprechendes Flaggschiffprojekt stecken, China hat sogar das zehnfache Investitionsvolumen angekündigt. Derzeit bewegt sich die Arbeit aber großteils noch im Grundlagenforschungsbereich.

Über eine Million Qbits

"Derzeit haben wir Chips mit 50 bis 100 Qbits. Das sind dann Quanten-Coprozessoren, die einzelne Berechnungen machen, aber von klassischen Systemen verwaltet werden. Für einen universellen Quantencomputer, also einen, der die oben erwähnten Erwartungen erfüllen kann, sind aber wohl mehr als eine Million Qbits notwendig.

"Es gibt aber einen klaren Pfad vom heutigen Stand zum Universalrechner", sagt Filipp. Wie lange das dauern wird, lässt sich heute aber nur schwer abschätzen. Unter einer Dekade sind die Ziele vermutlich eher nicht zu erreichen.

Etwa 20 Quantenprozessoren im Einsatz

Das liegt auch daran, dass derzeit verschiedene Implementierungen konkurrieren. Manche Forscher nutzen Ionenfallen, um Qbits zu realisieren, andere, wie IBM, setzen auf supraleitende Qbits, die mit Elektronenpaaren operieren. Daneben gibt es noch weitere Ansätze, die Potenzial haben könnten.

So hören sich 20 Qbit Quantenprozessoren an.

"Es ist noch nicht klar, auf welchem Weg sich Kontrolle, Störungsresistenz und effiziente Herstellung am besten optimieren lassen", sagt Filipp. IBM testet derzeit eine Architektur mit 50 Qbits. Insgesamt hat das Unternehmen etwa 20 Quantenprozessoren im Einsatz.

Experimente in der Cloud

"Die Fehlerrate und die Qualität der Qbits müssen noch besser werden. Derzeit können wir nur kurze Algorithmen ausführen, auch weil die Kohärenz zwischen Qbits noch nicht stabil genug ist", sagt Filipp. Der Fokus mit den aktuellen Prototypen liegt darauf, zu zeigen, dass die Systeme überhaupt einen Mehrwert bieten können. In zwei bis fünf Jahren sollen aber schon Systeme mit 100 bis 1000 Qbits zur Verfügung stehen. Diese sollen den Weg zu einer breiten Kommerzialisierung ebnen. "Dann können wir erforschen, was überhaupt die relevanten Probleme sind, die für eine Verarbeitung mit Quantenrechnern in Frage kommen". sagt Filipp.

Das heißt aber nicht, dass heutige Quantencomputer keine Anwendungen ermöglichen. IBM stellt über die Cloud bereits Quantenrechenleistung zur Verfügung. Hier kann jeder Algorithmen entwickeln und sie auf einem System mit derzeit maximal 16 Qbits laufen lassen. Für Firmenpartner wird auch ein 20-Qbit-System angeboten. Damit lassen sich bereits wissenschaftliche Berechnungen tätigen und auch eine Quantenversion von Schiffeversenken wurde bereits erschaffen.

Die Rechner für diese Cloud-Anwendung stehen bei IBM in Yorktown in den USA. Sie müssen bis knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden, um zu funktionieren. "Wir brauchen einen 20 Kilowatt-Kompressor, das wäre für Privathaushalte wohl nicht machbar. Über die Cloud können wir trotzdem jedem ermöglichen, mit Quantenrechnern zu experimentieren", sagt Filipp.

Award-Reihe der Quantensysteme

Das Q-Network – so nennt IBM seine Quantencloud – ist bereits gut ausgelastet. 1,7 Millionen Experimente wurden von 60.000 Nutzern bereits durchgeführt. In Zukunft soll auch der Zugriff auf ein 50 Qbit-System ermöglicht werden. Zudem stellt IBM über die Plattform Lernmaterialien zur Verfügung, um Nutzern zu zeigen, wie das System verwendet wird.

Am 15. Januar startet außerdem eine neue Award-Reihe für Professoren, Lektoren und Studenten, die IBMs Quantensysteme für Forschung und Unterricht nutzen. Ausgezeichnet wird hier die Entwicklung von Kursmaterialien, die Erstellung von Tutorials, die Veröffentlichung wissenschaftlicher Arbeiten, die auf das System zurückgreifen, und die Entwicklung von Codemodulen für die Systeme.

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