Sind Quantencomputer für den Schreibtisch bald Realität?

Quantencomputer haben das Potenzial, Probleme zu lösen, für die klassische Computer Billionen von Jahren benötigen würden. Die meisten Entwürfe von Quantencomputern erfordern eine Kühlung der Hardware auf extreme Temperaturen von weit unter -200 Grad Celsius. In den letzten Jahren hat die Technologie für Desktop-Quantencomputer jedoch erste Fortschritte gemacht.

Quantencomputer sind cool

Quantencomputer sind cool: Sie nutzen die subatomaren Phänomene der Überlagerung und Verschränkung. Die Erzeugung von Informationsbits, 1en und 0en, auf der Quantenskala führt zu einem exponentiellen Vorteil bei der Berechnungsleistung. Allerdings sind Quantensysteme notorisch anfällig für Rauschen. Mehrere Rauschquellen können die Genauigkeit einer Berechnung verringern oder sogar die Quanteninformation vollständig zerstören.

Eine der schwierigsten Rauschquellen, die es zu überwinden gilt, ist das thermische Rauschen. Um es zu vermeiden, werden viele gängige Hardwarekonzepte auf ultrakalte Temperaturen gekühlt. Supraleitende Quantencomputer beispielsweise erfordern spezielle Vakuumpumpen und Kryostate. Diese Geräte sind teuer, auf Helium angewiesen und benötigen viel Platz, Wasser und Strom.

Bislang stellt die für die Kühlung von Quantencomputern erforderliche Infrastruktur ein Hindernis für die Einführung von Quantencomputern auf unseren Schreibtischen dar. Es zeichnen sich jedoch neue Ansätze für das Quantencomputing ab, darunter photonische und Diamantdefekt-Designs. Das Potenzial dieser Technologien, bei Raumtemperatur zu arbeiten, könnte den Zugang zum Quantencomputing erheblich verbessern und letztlich zu einem größeren Markt führen.

Photonische Qubits können warme Temperaturen überleben

Beim Quantencomputing mit photonischer Plattform wird Licht zur Bildung von Qubits verwendet. Dabei kann der Zustand einzelner Photonen (Polarisation/gequetscht) oder der Quantenzustand von Photonenstrahlen (Qumoden) verwendet werden. Photonen sind von Natur aus robuster gegenüber thermischem Rauschen, und mehrere Unternehmen produzieren heute photonische Quantenprozessoren im Frühstadium, die keine Kühlung benötigen – zum Beispiel QuiX. Während skalierbare und vielseitige photonische Hardware für das Quantencomputing noch in weiter Ferne liegt, wurden bereits einige anwendungsspezifische Geräte realisiert. Dazu gehören Maschinen von ORCA, die in der Lage sind, Zeit-Bin-Bosonen abzutasten – geeignet für maschinelles Lernen und generative Modellierung.

Die Photonik ist jedoch kein Ansatz für die Quanteninformatik ohne Herausforderungen. In einigen Fällen hängt die Erkennung von Photonen zum Auslesen der Lösung eines Quantenalgorithmus noch von unterkühlten Sensoren ab. Mit anderen Worten: Die Qubits mögen zwar Raumtemperatur haben, aber die Technologie zu ihrer Erkennung nicht. Auch die verschränkten Lichtquellen, die für fortschrittlichere Systeme benötigt werden, bedürfen noch weiterer Entwicklung – zum Beispiel spezielle Quantenpunkte oder Halbleiter-Nanostrukturen. Auch wenn Photonen durch warme Temperaturen weniger beeinträchtigt werden, können sie dennoch aus den Wellenleitern entweichen.Dennoch steigen die Investitionen in die photonische Quanteninformatik, die im Jahr 2022 die Marke von 500 Millionen US-Dollar überschreiten werden.

Viele der Anforderungen an bessere Photonenquellen und rauschärmere Architekturen werden bereits erfüllt, und man ist optimistisch, dass skalierbare und vielseitige Quantenberechnungen mit dieser Methode möglich sind. Dieser Sektor versucht, aus dem bestehenden Einsatz von Glasfasern für die Hochgeschwindigkeitskommunikation und dem wachsenden Interesse der Regierungen an der Photonik für Kryptographie und Cybersicherheit Kapital zu schlagen.

Diamantgitter schützen Qubits auf natürliche Weise vor Lärm

Technisch bearbeiteter Diamant wurde in der Vergangenheit für seine Anwendungen in der Quantensensorik identifiziert, aber in den letzten Jahren hat sich die Forschung in Richtung Raumtemperatur- und sogar Desktop-Quantencomputer entwickelt. Diamanten mit einem bestimmten Defekt können 2-Zustands-Quantensysteme und damit Qubits bilden. Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV) haben beispielsweise Spin-Zustände, die zur Darstellung von 1en und 0en verwendet werden können. Die Häufigkeit der stimulierten Emission von NV-Zentren hängt von diesem Spinzustand ab, und daher können handelsübliche Fluoreszenzmikroskope verwendet werden, um Algorithmen auszulesen. Da diese Qubits durch die Kohlenstoffgitter in Diamanten auf natürliche Weise von Rauschquellen in der Umgebung isoliert sind, sind sie gute Kandidaten für Quantencomputer bei Raumtemperatur.

Tatsächlich verkaufen mehrere Unternehmen bereits Quantencomputer mit Diamantdefekten in Desktop-Größe. Supercomputing-Zentren und Luft- und Raumfahrtunternehmen haben in die Diamantdefekt-Technologie von Unternehmen wie Quantum Brilliance und XeedQ investiert. Die Anzahl der Qubits, die mit Hilfe von Diamantdefekten demonstriert wurden, liegt jedoch noch im einstelligen Bereich. Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass Tausende, wenn nicht Millionen von Qubits erforderlich sind, um den größten kommerziellen Nutzen zu erzielen und den Anforderungen der Fehlerkorrekturtechniken gerecht zu werden. Einige Entwickler planen, in den nächsten Jahren Hunderte von Diamantdefekt-Qubits zu demonstrieren, aber es gibt noch viel zu forschen, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung der technischen Diamant-Herstellungsverfahren.

Hype vs. Realität

Obwohl die Entwicklung von Quantencomputern für den Schreibtisch bei Raumtemperatur theoretisch möglich ist, konzentrieren sich die meisten Entwickler von Quantencomputern heute auf die Bereitstellung von Systemen für industrielle Anwendungen, einschließlich der Luft- und Raumfahrt, des Finanzsektors und der chemischen Industrie. Dazu gehören viele der führenden Unternehmen im Bereich der photonischen und Diamantdefekt-Quantencomputer. Es besteht allgemeines Einvernehmen darüber, dass die hochwertigsten Probleme, die Quantencomputer zuerst lösen werden, durch Cloud-Zugangsmodelle erreicht werden.

Eine Zukunft mit Raumtemperaturlösungen für den Massenmarkt sollte jedoch nicht ausgeschlossen werden. Die photonische Technologie wurde dieses Jahr sogar auf der CES vorgestellt. Es gibt viele weitere potenzielle Nutzer außerhalb der Pharmaindustrie und der Luft- und Raumfahrt, die von einer erschwinglichen und mobilen Lösung profitieren könnten – vor allem für Edge-AI, Bildverarbeitung und Logistikoptimierung in Echtzeit. Hersteller von autonomen Fahrzeugen und Supermarktketten erforschen bereits diesen Quantenanwendungsbereich. Sogar in der rauen Umgebung des Weltraums besteht Bedarf an Hochleistungsrechnern, um beispielsweise Bilder von satellitengestützten astronomischen Instrumenten zu verarbeiten.

Ausblick

Auch wenn das Quantencomputing auf dem Massenmarkt Einzug halten könnte, werden klassische Hardwarelösungen hier noch mindestens die nächsten zwanzig Jahre dominieren. In der Zwischenzeit werden Raumtemperatur-Quantencomputer eher eine Rolle bei der Aufklärung der Gesellschaft über das Quantencomputing spielen. Letztlich wird dies dazu dienen, die Forschung zu erleichtern und die Einführung der leistungsstärksten Geräte mit hoher Qubitzahl in der Cloud zu ermöglichen. Es bleibt ungewiss, welche Technologien marktführend sein werden, wobei Photonik und Diamant mit supraleitenden, gefangenen Ionen, neutralen Atomen, Photonik und sogar Silizium konkurrieren. Laut der IDTechEx-Forschungsstudie ist ein langfristiger kommerzieller Erfolg jedoch am wahrscheinlichsten für inhärent skalierbare Lösungen – für die Desktop-geeignete Modalitäten einen erheblichen Wettbewerbsvorteil darstellen könnten. Es wird prognostiziert, dass der adressierbare Markt für Quantencomputer im Zuge des technologischen Fortschritts rasch ansteigen wird und bis 2043 voraussichtlich über 3000 Systeme installiert sein werden.