IBM und Google entwickeln derzeit Quantencomputersysteme mit Hunderttausenden bis Millionen von Qubits und erwarten, dass sie in den nächsten zehn Jahren fertiggestellt werden.
Der Quantencomputer von IBM. Foto: IBM
Ende letzten Jahres stellte IBM den Rekord für den größten Quantencomputer mit einem Prozessor aus 433 Quantenbits (Qubits), den Einheiten der Quanteninformationsverarbeitung, auf. Auf dem G7-Gipfel verkündete das Unternehmen ein noch größeres Ziel: Innerhalb der nächsten zehn Jahre will es einen 100.000-Qubit-Computer fertigstellen.
IBM will 100 Millionen Dollar in die Entwicklung eines Supercomputers investieren, der Probleme lösen kann, die kein anderer Supercomputer lösen kann. Die Idee ist, diesen 100.000-Qubit-Computer in Kombination mit den besten Supercomputern zur Entwicklung neuer Medikamente, Düngemittel, Batteriekomponenten und einer Vielzahl weiterer Anwendungen zu nutzen.
Quantencomputer verarbeiten Informationen, indem sie die Eigenschaften von Elementarteilchen ausnutzen. Elektronen, Atome und kleine Moleküle können gleichzeitig in mehreren Energiezuständen existieren (Superposition), und die Zustände der Teilchen können miteinander verknüpft werden. Jedes Qubit kann gleichzeitig im Zustand 0 und 1 existieren, anstatt wie ein herkömmliches Computerbit nur im Zustand 0 oder 1. Dadurch können mehrere Berechnungen gleichzeitig durchgeführt werden.
Quantencomputer mit einer Million Qubits
Trotz ihrer Versprechen haben Quantencomputer bisher nichts Nützliches geleistet, was konventionelle Supercomputer nicht leisten können. Das liegt daran, dass sie nicht über genügend Qubits verfügen und Quantencomputersysteme leicht durch kleine Störungen, sogenanntes Rauschen, gestört werden.
Forscher gehen davon aus, dass Quantencomputersysteme erheblich skaliert werden müssen, damit sie einen großen Teil der Qubits für die Korrektur von durch Rauschen verursachten Fehlern verwenden können.
Die Anzahl der Qubits allein bestimmt also nicht die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers. Es gibt auch konkrete Details darüber, wie die Qubits aufgebaut sind, wie sie sich auf Rauschfehler korrigieren lassen und wie sie in der Praxis betrieben werden können.
Google will in diesem Jahrzehnt einen Quantencomputer mit einer Million Qubits entwickeln. Foto: Reuters
IBM ist nicht das einzige Unternehmen, das sich hohe Ziele setzt. Google will bis zum Ende des Jahrzehnts einen Quantencomputer mit einer Million Qubits entwickeln, von dem nur 10.000 Qubits für Berechnungen und der Rest für die Fehlerkorrektur genutzt werden.
IonQ strebt bis 2028 1.024 „logische Qubits“ an, die jeweils aus einer Fehlerkorrekturschaltung aus 13 physischen Qubits bestehen. PsiQuantum strebt ebenso wie Google den Bau eines Quantencomputers mit einer Million Qubits an, hat jedoch weder Zeitpläne noch Fehlerkorrekturkonfigurationen bekannt gegeben.
Eine Erfolgsgarantie gibt es nicht.
Die Qubits von IBM bestehen derzeit aus supraleitenden Metallringen, die bei Temperaturen von Millikelvin, also knapp über dem absoluten Nullpunkt von -273 Grad Celsius, Atomen ähneln. IBM gibt an, dass Qubits dieses Typs mit der aktuellen Technologie nur auf bis zu 5.000 Qubits skaliert werden können, was nicht ausreicht, um einen großen Rechenvorteil zu bieten.
Derzeit benötigt jedes supraleitende Qubit von IBM etwa 65 Watt zum Betrieb. Bei 100.000 Qubits bräuchte man ein Atomkraftwerk, um die Maschine mit Strom zu versorgen, und Milliarden von Dollar für ihre Entwicklung. Jay Gambetta, Vizepräsident für Quantencomputing bei IBM, sagte, das Unternehmen plane, „komplementäre Metalloxid-Halbleiter“-Technologie (CMOS) einzusetzen, die neben den Qubits installiert werden könne, um sie mit nur wenigen zehn Milliwatt Leistung zu betreiben.
CMOS befinde sich noch im experimentellen Stadium und die für Quanten-Supercomputer erforderlichen Technologien existierten noch nicht, räumt Gambetta ein.
Es gibt keine Garantie dafür, dass die 100 Millionen Dollar, die für das Projekt ausgegeben wurden, ausreichen werden, um einen 100.000-Qubit-Computer zu bauen. „Es besteht definitiv ein Risiko“, sagte Gambetta.
„Es wird keine völlig reibungslose Reise“, sagte Joe Fitzsimons, CEO von Horizon Quantum, einem in Singapur ansässigen Entwickler von Quantensoftware.
IBMs Plan scheine plausibel, sagte Fitzsimons, auch wenn es potenzielle Hürden gebe. „In dieser Größenordnung wäre es sehr schwierig, Steuerungssysteme zu entwickeln, die eine so große Zahl von Qubits effizient steuern können“, sagte er.
Laut Zing
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