Lichtkäfige könnten das Speicherproblem des Quantencomputings lösen

Der Flaschenhals: Warum Quantencomputer neue Speicher benötigen

Damit ein Quantencomputer zum Einsatz kommen kann, wenn nicht routinemäßig, so doch zumindest zuverlässig, so muss er die meisten Funktionen, die von Silizium-Halbleitern ausgeführt werden, mit quantenkompatiblen Komponenten nachbilden können: nicht nur die Berechnung (Prozessor/Chips), sondern auch die Vernetzung und der Speicher.

Die Netzwerktechnik schreitet voran. Wir haben die Veröffentlichung von QNodeOS, einem Betriebssystem, miterlebt. dem Quantennetzwerk gewidmetNeben massenproduzierbare photonische Chips, Erbium-Nanophotonikverstärkerund Quantenteleportation unter Verwendung herkömmlicher Glasfasernetze.

Doch die Erinnerung hat sich als schwer fassbar erwiesen. obwohl Schallwellen eine Art Hybridlösung darstellen könnten zur Frage der Stabilität.

Diese Schwierigkeit entsteht dadurch, dass Qubits extrem instabil sind und daher supraleitende Materialien, eine vollständige Abschirmung vor Umwelteinflüssen und extrem niedrige Temperaturen erfordern.

Die Vernetzung kann den Speichermangel teilweise beheben, indem Informationen an andere physikalische Qubits in einem Cluster weitergeleitet werden. Diese Option hat jedoch ihre Grenzen. Komplexe Berechnungen erfordern irgendwann ein (für Quantenverhältnisse) langlebiges Speichersystem, das Quantendaten zuverlässig speichern kann.

Genau das scheinen Forscher in Deutschland an der Humboldt-Universität zu Berlin, der Universität Stuttgart und dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien erreicht zu haben.

Sie entwickelten einen nanoskopischen „Lichtkäfig“, der Quantendaten über einen beispiellosen Zeitraum speichern kann. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift „Light: Science & Applications“.¹, unter dem Titel "Lichtspeicherung in Lichtkäfigen: eine skalierbare Plattform für multiplexierte Quantenspeicher".

Was sind nanoskopische „Lichtkäfige“?

Quantenspeicher bezeichnet Komponenten, die in der Lage sind, intakte Quanteninformationen (Qubits) zu speichern und zu erhalten.

In der Praxis funktioniert dies wie RAM: nicht zur langfristigen Datenspeicherung, sondern um Daten für den nächsten Schritt im Berechnungsprozess zugänglich zu halten.

Dies erfordert drei aufeinanderfolgende Schritte:

1. Erfassung des Quantenzustands.
2. Diesen Zustand in einem stabileren Format als flüchtigen Qubits speichern.
3. Die Daten werden zur weiteren Verarbeitung abgerufen.

Wie 3D-gedruckte Lichtkäfige funktionieren

Grundlage der Arbeit der deutschen Forscher ist der „Lichtkäfig“. Diese nanoskopischen Strukturen sind so konzipiert, dass sie Licht festhalten, ohne dass es seine Quanteneigenschaften verliert.

Quelle: Light

In diesem speziellen Fall verwendeten sie Hohlkernwellenleiter, die mit einem Atomdampf aus Cäsiumatomen gefüllt waren.

Die Strukturen selbst wurden mithilfe der Nanoprinting-Technologie, genauer gesagt der Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie mit kommerziellen 3D-Drucksystemen, hergestellt.

Um eine langfristige Stabilität in der reaktiven Cäsiumumgebung zu gewährleisten, werden die Strukturen mit einer Schutzschicht überzogen, die eine bemerkenswerte Haltbarkeit aufweist; selbst nach fünf Jahren Betrieb ist keine Verschlechterung festzustellen.

Quelle: Light

Vorteile gegenüber herkömmlichem Quantenspeicher

Dieses Design bietet im Vergleich zu früheren Versuchen einzigartige Vorteile.

Erstens ermöglichen diese nanogedruckten Strukturen die schnelle Diffusion von Cäsiumatomen. Dadurch verkürzt sich die Zeit, die zum Befüllen des Kerns mit Atomdampf benötigt wird, von Monaten auf nur wenige Tage, während gleichzeitig eine hervorragende optische Feldbegrenzung erhalten bleibt.

Zweitens ermöglicht das Design einen einzigartigen seitlichen Zugriff auf die Kernbereiche, was die Gewinnung von Quantendaten bei Bedarf erleichtert.

„Wir haben eine Führungsstruktur geschaffen, die eine schnelle Diffusion von Gasen und Flüssigkeiten in ihrem Kern ermöglicht, und zwar mit der Vielseitigkeit und Reproduzierbarkeit, die das 3D-Nanodruckverfahren bietet.“

Dies ermöglicht eine echte Skalierbarkeit dieser Plattform, nicht nur für die Fertigung der Wellenleiter innerhalb eines Chips, sondern auch zwischen verschiedenen Chips, um mehrere Chips mit der gleichen Leistung herzustellen.“

Diese Skalierbarkeit erleichtert die industrielle Fertigung erheblich. Sie ermöglicht die Integration mehrerer Lichtkäfige auf demselben Chip und erhöht so den potenziellen Gesamtspeicher eines Quantenprozessors. Die Abweichungen innerhalb eines einzelnen Chips lagen unter 2 Nanometern, während die Unterschiede zwischen den Chips unter 15 Nanometern blieben.

Da die Unterschiede in der Speicherleistung zwischen verschiedenen Lichtkäfigen minimal und konstant sind, liefert das Design verlässliche Erwartungen für Ingenieure.

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Ein weiterer entscheidender Unterschied zu den meisten Quantencomputertechnologien besteht darin, dass der Lichtkäfigspeicher leicht oberhalb der Raumtemperatur arbeitet und keine kryogene Kühlung benötigt. Dadurch ist er nicht nur zuverlässiger, sondern auch deutlich wirtschaftlicher.

Wie lange können Lichtkäfige Daten speichern?

Die Lichtkäfige ermöglichen eine hocheffiziente Umwandlung geführter Lichtimpulse in kollektive atomare Anregungen. Ein optischer Steuerlaser kann das Licht dann bedarfsgerecht freisetzen und die Daten für weitere Quantenberechnungen gewinnen.

Dem Forschungsteam gelang es, abgeschwächte Lichtimpulse, die nur wenige Photonen enthielten, über einen Zeitraum von mehreren hundert Nanosekunden zu speichern.

Quelle: Light

Auch wenn dieser Zeitraum kurz erscheinen mag, stellt er im Kontext von Quantennetzwerken und photonischen Speichern eine ungewöhnlich lange und stabile Speicherdauer dar, insbesondere für Systeme, die mit Raumtemperatur kompatibel sind.

Skalierung von Quantennetzwerken mit optischem Speicher

Während Netzwerke bisher dazu beigetragen haben, den Mangel an Speicher auszugleichen, könnte ein zuverlässiger Speicher umgekehrt dazu beitragen, komplexere Netzwerke zu schaffen.

Durch die Schaffung zuverlässiger Speicher kann Quantenspeicher als Repeater-Knoten fungieren und so die Zuverlässigkeit und Reichweite des Quantennetzwerks deutlich erhöhen. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zur Vernetzung mehrerer Quantenchips in einem Supercomputer sowie zur Verbindung räumlich getrennter Quantencomputer.

Fazit

Die Quantencomputertechnologie hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, insbesondere durch die Entwicklung von Netzwerken und größeren, skalierbaren Quantenchips. Das fehlende Glied für einen vollwertigen Quantencomputer oder ein großflächiges Quantennetzwerk waren zuverlässige Speicherkomponenten.

Die Verwendung dieser verbesserten Lichtkäfige könnte genau der Schlüssel zur Beschleunigung der Entwicklung des Quantencomputings sein, dank des kostengünstigen und zuverlässigen Herstellungsverfahrens.

Der nächste Schritt wird voraussichtlich die praktische Erprobung mit bestehenden Quantenchips und die Optimierung des Herstellungsprozesses zur Integration in die Standardverfahren einer Halbleitergießerei sein.

In Quantencomputing investieren

Honeywell / Quantum (HON)

Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum.

Honeywell bleibt Mehrheitsaktionär des Unternehmens (voraussichtlich mit 52 % Anteilen). nach einer Finanzierungsrunde mit einem Wert von 10 Milliarden DollarGründer Ilyas Khan soll rund 20 % des Unternehmens besitzen. Weitere Anteilseigner sind JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM und JP Morgan.

Ein möglicher Börsengang von Quantinuum, möglicherweise im Rahmen einer größeren Unternehmensumstrukturierung, Analysten schätzen seinen Wert auf bis zu 20 Milliarden Dollar. und könnte zwischen 2026 und 2027 eintreten.

Quantencomputing ist nicht der Kernbereich des Geschäfts von Honeywell, das sich eher auf Produkte in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automatisierung sowie Spezialchemikalien und -materialien konzentriert.

Jeder dieser Bereiche könnte jedoch vom Quantencomputing profitieren, insbesondere Computerchemie und Quanten-Cybersicherheit, was Honeywell möglicherweise einen Vorteil gegenüber seinen Konkurrenten verschafft.

Das Hauptmodell des Unternehmens ist derzeit: Helios, der Nachfolger von H2 und der „genaueste Quantencomputer der Welt“.Es verfügt über rekordverdächtige 98 vollständig verbundene physikalische Qubits mit einer Einzel-Qubit-Gattergenauigkeit von 99.9975 % und einer Zwei-Qubit-Gattergenauigkeit von 99.921 % über alle Qubit-Paare hinweg.

Wir nutzten Helios auch, um groß angelegte Simulationen durchzuführen in Hochtemperatur-Supraleitung und Quantenmagnetismus – beides Gebiete mit klaren Wegen zu realen industriellen Anwendungen.

Das Unternehmen verfolgt das Ziel, qualitativ hochwertiges Rechnen mit sehr geringen Fehlern zu ermöglichen, anstatt einfach so viele Qubits wie möglich hinzuzufügen, und hat so das sogenannte „fehlertolerante Quantencomputing“ entwickelt.

Dieser Ansatz wird vom Unternehmen als „Bessere Qubits, bessere Ergebnisse“ bezeichnet, wobei mit einer ähnlichen Anzahl von Qubits 100- bis 1,000-mal zuverlässigere Ergebnisse erzielt werden.

Quelle: Quantum

Dies könnte einen entscheidenden Unterschied bei der dringend benötigten quantenresistenten Kryptographie ausmachen. Das Verteidigungsunternehmen Thales (HO.PA -0.96%) ist arbeitet bereits mit Quantinuum zusammen, ebenso wie internationale Banken wie HSBC und JP Morgan.

Quantinuum bietet auch seine proprietäre Quantencomputerchemie an InQuanto, nutzbar für Anwendungen in den Bereichen Pharmazie, Materialwissenschaften, Chemie, Energie und Luft- und Raumfahrt.

Wie viele andere Unternehmen im Bereich Quantencomputer, Quantinuum bietet Helios als „Hardware-as-a-Service“ an., sodass Benutzer vom Quantencomputing profitieren können, ohne sich selbst mit der Komplexität des Systembetriebs befassen zu müssen.

Quantinuum unterzeichnete im November 2024 eine Partnerschaft mit dem deutschen Unternehmen Infineon, Europas größter Halbleiterhersteller. Infineon wird seine integrierte Photonik- und Steuerelektronik-Technologie einbringen, um die nächste Generation von Quantencomputern mit Ionenfallen zu entwickeln.

Da die integrierte Photonik immer mehr praktischen Anwendungen näherkommt, wird deutlich, wie wichtig diese Partnerschaft für die Zukunft von Quantinuum sein könnte. Aktuell scheint der nächste Schritt für das Unternehmen die Markteinführung des weltweit ersten KI-fokussierten Photonik-Quantenchips zu sein.

In den kommenden Monaten wird Quantinuum Ergebnisse aus laufenden Kooperationen veröffentlichen und das bahnbrechende Potenzial quantenbasierter Fortschritte in der generativen KI demonstrieren.

Die innovative Gen-QAI-Funktion wird die Verwendung metallischer organischer Gerüste für die Arzneimittelverabreichung verbessern und beschleunigen und so den Weg für effizientere und personalisiertere Behandlungsmöglichkeiten ebnen. Einzelheiten werden bei der Markteinführung von Helios bekannt gegeben.

Quantinuum verkündet Durchbruch bei generativer Quanten-KI mit enormem kommerziellen Potenzial

Weitere Anwendungsfälle könnten den zukünftigen Wert des Unternehmens und damit auch Honeywells Beteiligung daran erheblich steigern.

Generative Quanten-KI: Das volle Potenzial der KI ausschöpfen

(Sie können mehr darüber lesen die übrigen industriellen Aktivitäten von Honeywell in den Bereichen Automatisierung, Luft- und Raumfahrt und fortschrittliche Materialien im Unternehmensbericht.)

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Honeywell (HON)-Aktie

Zitierte Studie

^{1. Gómez-López, E., Ritter, D., Kim, J. et al. Lichtspeicherung in Lichtkäfigen: eine skalierbare Plattform für multiplexierte Quantenspeicher. Lichtwissenschaftliche Appl 15, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02085-5}