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Thema der Woche|Quantencomputer www markttechnik de Nr 25 2021 20 sich wegen ihrer Komplexität der Berechnung durch Supercomputer weitgehend entziehen Simulationen auf Quantenebene würden also viel Laborarbeit und Zeit für viele Test also auch sehr viel Geld sparen Digitale Quantensimulatoren Dabei müssen die Quantenrechnungen nicht wie in den Computern von D-Wave tatsächlich auf Quantenebene ablaufen die in den Maschinen von D-Wave real vorhandenen Quantenschaltkreise lassen sich auch auf herkömmlichen CMOS-Prozessoren simulieren Die Experten sprechen diesem Fall von „digitalem Annealing“ Auf solche Systeme setzten beispielsweise Fujitsu und die in Karlsruhe beheimatete HQS Quantum Simulations mit der Merck zusammenarbeitet HQS will Quantensimulationsmethoden entwickeln um so neue Materialien mit völlig neuen Eigenschaften zu synthetisieren die ohne diese Methoden nicht hätten entwickelt werden können Schon in wenigen Jahren solle dies auf Basis von Qubits in Quantencomputern geschehen HQS verspricht dass ihre Software in der Lage ist die Möglichkeiten der Quantencomputer schon jetzt also in ihrem frühen Stadium zu nutzen um Quantensimulationen sehr viel schneller ablaufen zu lassen als es auf bisherigen Computern möglich wäre Außerdem hat Merck über M Ventures in See-QC investiert die sich vorgenommen hat Quantencomputing und klassisches High-Performance Computing zu kombinieren um die Vorteile aus beiden Welten zusammenzuführen Das Ziel besteht darin einen hybriden „Quantum-Classical Computer“ zu bauen Dazu hat SeeQCc den sogenannten Digital Quantum Management Chip DQM entwickelt Dieses Systemona-Chip bildet die Brücke zwischen einem Qubit Array basierend auf supraleitenden Josephson-Kontakten und einem klassischen Koprozessor Die drei Chips sind in einem einzigen Gehäuse integriert das gekühlt wird Der DQM übernimmt die Steuerung der Qubits und liest sie aus Außerdem laufen hier die Fehlerkorrekturalgorithmen ab Weil sie in unmittelbarer Nähe zu den tiefgekühlten Qubit Chips positioniert sind reduziert sich die Komplexität der I O-Schnittstellen drastisch aufwändige Verkabelungen zwischen dem tiefgekühlten und den übrigen Elementen wie sie im herkömmlichen Aufbau erforderlich sind können entfallen SeeQC ist 2019 aus Hypres hervorgegangen einem Spezialisten für die Entwicklung und Fertigung von supraleitenden Elektronikkomponenten wie auf Josephson-Kontakten bestehenden SQIDs Deshalb hat SeeQC Zugriff auf die Fab von Hypres wo die Chips gefertigt werden Außerdem bestehen Partnerschaften mit Riverlane die ein Betriebssystem Deltaflow für Quantencomputer für den Typ von IonQ entwickelt hat und Rahko die Machine Learning auf Basis von Quantencomputern entwickelt Weil die Quantensimulatoren mit den Qubits nicht über Quantengitter rechnen können sie viele Aufgaben für die Quantencomputer berühmt sind nicht durchführen Verschlüsselungen knacken können nur die Maschinen die mit echten Qubits arbeiten Damit Quantencomputer auf Basis von Quantengattern rechnen können müssen sie verschränkt sein und diesen Zustand so lange aufrecht erhalten dass genügend Gatteroperationen durchgeführt werden können um ein sinnvolles Ergebnis zu erhalten Weil das so schwierig ist hinkt die Zahl der echten Qubits denen der Quantensimulatoren deutlich hinterher Doch auch solche Maschinen existieren bereits Google und IBM verkaufen sogar schon Rechenzeit auf ihnen über das Internet So können sich Interessierte mit der Art und Weise vertraut machen wie sie mit Quantencomputern umgehen können und vor allem wie sie zu programmieren sind »Doch für viele Aufgaben fehlen noch die entsprechenden Algorithmen« sagt Dammel Derzeit spielt sich also alles noch auf Forschungsebene ab Wirklich sinnvolle Aufgaben können diese Quantencomputer nicht lösen »Doch schon ab 2030 wird es robuste Quantencomputer geben durch sie wird die heutige Kryptografie obsolet« ist sich Dammel sicher So richtig interessant wird es seiner Meinung nach sobald sich die Quantencomputer zum Aufbau neuronaler Netze nutzen ließen was dann ebenfalls in Reichweite läge Das ist der oben bereits erwähnte Zusammenhang zwischen neuromorphem Computing und Quantencomputern Die Jahre bis dahin sollten laut Dammel genutzt werden um die erforderlichen Algorithmen zu entwickeln Die ersten entstanden in den 1990er-Jahren heute gibt es zwei einigermaßen ausgereifte Algorithmen nach ihren Erfindern Shor und Grover genannt Der Shor-Algorithmus eignet sich dafür große Zahlen schnell in ihre Primfaktoren zu zerlegen womit sich RSA-Verschlüsselungen knacken lassen der Grover-Algorithmus eignet sich um große Datenbanken schnell zu durchsuchen »Erst wenn viel mehr Algorithmen existieren und komplexere Programme entwickelt werden können werden sich die Quantencomputer in sinnvolle Rechenmaschinen verwandeln« sagt Dammel Und wie wird die Hardware der Quantencomputer aussehen? Auch das ist noch nicht klar Qubits lassen sich auf vielfältige Weise herstellen Die ältesten und stabilsten Verfahren sind Ionenfallen Honeywell IonQ Universal Quantum Oxford Ionics und die schon erwähnten supraleitenden Josephson-Kontakte IQM Google Rigetti Oxford Quantum Circuits D-Wave SeeQC IBM Q Alice Bob Intel Die Forscher arbeiten an noch vielen weiteren Methoden um Qubits zu erzeugen Dazu gehören photonische Quantencomputer Xanadu Psi Quantum Orca Computing Fehlstellen in einem Diamantgitter Quantum Diamond Technologies Silicon Spin Qubits Silicon Quantum Computing Intel HRL und Quantenpunkte Topologische Qubits sind bisher nur eine interessante Idee ob sie sich realisieren lassen ist noch ungeklärt Ob sich ein Typ durchsetzen wird oder ob sich bestimmte Typen für jeweils bestimmte Aufgaben besonders eignen werden steht heute noch in den Sternen Doch auch wenn Quantencomputer tatsächlich einmal stabil genug arbeiten werden um die üblichen RSA-Verschlüsselungen brechen zu können wäre das keine Katastrophe Hackern würde sich damit keinesfalls Tür und Tor öffnen Denn es gibt Verschlüsselungsmethoden an denen schon mit Hochdruck gearbeitet wird die Quantencomputer prinzipiell nicht brechen können Das zeigt wie limitiert sie im Grunde sind Andererseits lassen sich auf ihrer Basis Kommunikationssysteme aufbauen die prinzipiell nicht abgehört werden können Auf diesem Gebiet dürfte sich ihnen ein großer Markt öffnen Genauso wie auf dem Gebiet der Materialforschung wie Ralph Dammel überzeugt ist »Unsere Chemiker freuen sich schon darauf was sie mithilfe von derartigen Quantencomputern an Neuem entdecken können« so Dammel ha ■ „ Erst wenn viel mehr Algorithmen existieren und komplexere Programme entwickelt werden können werden sich die Quantencomputer in sinnvolle Rechenmaschinen verwandeln “