Computing
Lichtkäfige könnten das Speicherproblem des Quantencomputings lösen
Der Engpass: Warum Quantencomputing neuen Speicher benötigt
Damit ein Quantencomputer überhaupt eingesetzt werden kann, wenn nicht routinemäßig, zumindest zuverlässig, muss er mit quantenkompatiblen Komponenten die meisten Funktionen von Silizium‑Halbleitern replizieren: nicht nur die Berechnung (Prozessoren/Chips), sondern auch Netzwerk‑ und Speicherfunktionen.
Netzwerke entwickeln sich weiter. Wir haben die Veröffentlichung von QNodeOS gesehen, einem Betriebssystem dem Quanten‑Networking gewidmet, zusammen mit massenproduzierbaren photonischen Chips, Erbium‑nanophotonischen Verstärkern und Quanten‑Teleportation mittels herkömmlicher optischer Fasernetzwerke.
Aber der Speicher war schwieriger zu erreichen, obwohl Schallwellen eine Art Hybridlösung bieten könnten für das Stabilitätsproblem.
Diese Schwierigkeit entsteht, weil Qubits extrem instabil sind und supraleitende Materialien, vollständige Isolation von Umwelteinflüssen und ultrakalte Temperaturen benötigen.
Netzwerke können das Fehlen von Speicher teilweise mildern, indem sie Informationen an andere physische Qubits in einem Cluster weiterleiten, doch diese Möglichkeit ist begrenzt. Irgendwann werden komplexe Berechnungen ein langlebiges (nach Quantenmaßstäben) Speichersystem erfordern, das Quanten‑Daten zuverlässig behalten kann.
Genau das scheinen Forscher in Deutschland an der Humboldt‑Universität zu Berlin, der Universität Stuttgart und dem Leibniz‑Institut für Photonische Technologie erreicht zu haben.
Sie entwickelten einen nanoskopen „Lichtkäfig“, der Quanten‑Daten für eine beispiellose Dauer speichern kann. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Light: Science & Applications1 unter dem Titel “Light storage in light cages: a scalable platform for multiplexed quantum memories”.
Was sind nanoskopische „Lichtkäfige“?
Quanten‑Speicher bezieht sich auf Komponenten, die in der Lage sind, intakte Quanteninformationen (Qubits) zu speichern und zu bewahren.
In der Praxis funktioniert dies wie RAM: nicht für die langfristige Datenspeicherung, sondern um Daten für den nächsten Schritt eines Berechnungsprozesses zugänglich zu halten.
Dies erfordert drei aufeinanderfolgende Schritte:
- Erfassung des Quanten‑Zustands.
- Speicherung dieses Zustands in einem stabileren Format als flüchtige Qubits.
- Abrufen der Daten für die weitere Verarbeitung.
Wie 3D‑gedruckte Lichtkäfige funktionieren
Die Grundlage der Arbeit der deutschen Forscher ist der „Lichtkäfig“. Diese nanoskopen Strukturen sind so konzipiert, dass sie Licht festhalten, ohne dass es seine quantenmechanischen Eigenschaften verliert.
Quelle: Light
In diesem speziellen Fall verwendeten sie Hohlkern‑Wellenleiter, die mit einem atomaren Dampf aus Cäsium‑Atomen gefüllt sind.
Die Strukturen selbst wurden mit Nanodruck‑Technologie hergestellt, genauer gesagt mittels Zwei‑Photon‑Polymerisations‑Lithografie mit kommerziellen 3D‑Drucksystemen.
Um langfristige Stabilität in der reaktiven Cäsium‑Umgebung zu gewährleisten, sind die Strukturen mit einer Schutzschicht überzogen, was eine bemerkenswerte Haltbarkeit zeigt – selbst nach fünf Jahren Betrieb wurde keine Degradation beobachtet.
Quelle: Light
Vorteile gegenüber herkömmlichen Quanten‑Speichern
Dieses Design bietet im Vergleich zu früheren Versuchen einzigartige Vorteile.
Erstens ermöglichen diese nanogedruckten Strukturen die schnelle Diffusion von Cäsium‑Atomen. Dadurch verkürzt sich die Zeit, den Kern mit atomarem Dampf zu füllen, von Monaten auf nur wenige Tage, bei gleichzeitig hervorragender optischer Feldkonfinierung.
Zweitens erlaubt das Design einen einzigartigen seitlichen Zugriff auf die Kernregionen, was das Abrufen von Quantendaten bei Bedarf erleichtert.
„Wir haben eine Leitstruktur geschaffen, die eine schnelle Diffusion von Gasen und Flüssigkeiten in ihrem Kern ermöglicht, mit der Vielseitigkeit und Reproduzierbarkeit, die der 3D‑Nanodruck‑Prozess bietet.
Dies ermöglicht eine echte Skalierbarkeit dieser Plattform, nicht nur für die Intra‑Chip‑Fertigung der Wellenleiter, sondern auch für Inter‑Chip‑Produktionen, um mehrere Chips mit gleicher Leistung zu erzeugen.“
Diese Skalierbarkeit erleichtert das Erreichen einer industriellen kommerziellen Phase erheblich. Sie ermöglicht mehrere Lichtkäfige auf demselben Chip, wodurch das potenzielle Gesamtspeicher eines Quanten‑Prozessors erhöht wird. Die Variationen innerhalb eines einzelnen Chips blieben unter 2 Nanometer, während die Unterschiede zwischen Chips unter 15 Nanometer lagen.
Da die Speicherleistung zwischen verschiedenen Lichtkäfigen minimal und konsistent ist, liefert das Design verlässliche Erwartungen für Ingenieure.
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| Quanten‑Speicher‑Ansatz | Gespeicherte Anregung / Medium | Typische Betriebsbedingungen | Skalierung & Integration | Wesentliche Kompromisse |
|---|---|---|---|---|
| Nanogedruckte „Lichtkäfige“ (diese Arbeit) | Geführte Lichtpulse, die auf kollektive atomare Anregungen abgebildet werden (Cäsium‑Dampf in Hohlkern‑Wellenleitern) | Betrieb leicht über Raumtemperatur; keine Kryotechnik oder komplexe Atomfalle beschrieben | 3D‑Nanodruck (Zwei‑Photon‑Polymerisation) unterstützt wiederholbare, multiplexe On‑Chip‑Strukturen; seitlicher Zugriff für Steuerung/Auslesung | Speicherzeiten hier liegen im Bereich von Hunderten Nanosekunden; Hauptvorteil ist die Herstellbarkeit + Multiplexing + entspannte Betriebsbedingungen |
| Kalt‑Atom‑Ensemble‑Speicher | Atomare Anregungen in lasergekühlten Atomwolken | Ultrahochvakuum, Laser‑Kühlung, Fangoptik (komplexe Laborinfrastruktur) | Hohe Leistung in Forschungskontexten; schwieriger zu miniaturisieren und im großen Maßstab einzusetzen im Vergleich zu Chip‑First‑Ansätzen | Ausgezeichnete Physik, aber Systemkomplexität und Platzbedarf können die praktische Umsetzung einschränken |
| Seltenerd‑dotierte Kristalle | Optische Anregungen in Festkörper‑Dotierstoffen (z. B. Seltenerd‑Ionen) | Oft kryogen für beste Kohärenz; stabile Feststoffe, aber aufwändige Kühlung | Potentiell kompakte Module; Integration hängt von Photonik‑Verpackung und Kopplungsverlusten ab | Starkes Kohärenz‑Potential, aber Temperatur/Kühlung und Kopplungseffizienz sind praktische Einschränkungen |
| Spin‑basierte Speicher (NV‑Zentren / Spin‑Ensembles) | Elektron‑/Kernspinzustände in Festkörpern | Weit variabel (oft kontrollierte Umgebungen; manchmal kryogen für optimale Leistung) | Attraktiv für Festkörper‑Integration; optische Schnittstellen und Fertigungs‑Yield können herausfordernd sein | Langlebende Spin‑Zustände sind vielversprechend, aber die Photon‑Spin‑Schnittstelle kann zum Engpass werden |
| Supraleitende Resonator‑Speicher | Mikrowellen‑Photonen/Anregungen in supraleitenden Schaltkreisen | Kryogen (Verdünnungs‑Kryostat) Betrieb | Starke Kompatibilität mit supraleitenden Prozessoren; Skalierung ist abhängig von Kryo‑Verdrahtung, thermischen Budgets und Kühlschrankkapazität | Enge Integration mit heutigen führenden QC‑Stacks, aber Kryotechnik und System‑Komplexität sind unvermeidlich |
Ein weiterer bedeutender Unterschied zu den meisten Quanten‑Computing‑Technologien besteht darin, dass Lichtkäfig‑Speicher leicht über Raumtemperatur arbeitet und keine kryogene Kühlung benötigt. Das macht ihn nicht nur zuverlässiger, sondern auch deutlich wirtschaftlicher.
Wie lange können Lichtkäfige Daten speichern?
Die Lichtkäfige ermöglichen eine hocheffiziente Umwandlung von geführten Lichtpulsen in kollektive atomare Anregungen. Ein optischer Steuerlaser kann das Licht dann bei Bedarf freigeben und die Daten für weitere Quantenberechnungen abrufen.
Das Forschungsteam speicherte abgeschwächte Lichtpulse, die nur wenige Photonen enthielten, erfolgreich für mehrere hundert Nanosekunden.
Quelle: Light
Obwohl dieser Zeitraum kurz erscheinen mag, stellt er im Kontext von Quanten‑Netzwerken und photonischem Speicher eine ungewöhnlich lange und stabile Speicherdauer dar, insbesondere für Systeme, die bei Raumtemperatur kompatibel sind.
Skalierung von Quanten‑Netzwerken mit optischem Speicher
Während Netzwerke bisher geholfen haben, den Mangel an Speicher auszugleichen, könnte zuverlässiger Speicher im Gegenzug helfen, komplexere Netzwerke zu schaffen.
Durch die Schaffung zuverlässiger Speicherung kann Quanten‑Speicher als Repeater‑Knoten dienen und die Zuverlässigkeit sowie Reichweite des Quanten‑Netzwerks erheblich steigern. Dies ist ein wichtiger Schritt, mehrere Quanten‑Chips in einem Supercomputer zu vernetzen sowie physisch entfernte Quanten‑Computer zu verbinden.
Fazit
Das Quanten‑Computing hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, wobei Netzwerke und größere, skalierbare Quanten‑Chips entwickelt wurden. Das fehlende Bindeglied für einen vollwertigen Quanten‑Computer oder ein großflächiges Quanten‑Netzwerk waren zuverlässige Speicherkomponenten.
Der Einsatz dieser verbesserten Lichtkäfige könnte genau der Schlüssel zur Beschleunigung der Entwicklung des Quanten‑Computings sein, dank ihres günstigen und zuverlässigen Herstellungsprozesses.
Der nächste Schritt wird wahrscheinlich praktische Tests mit bestehenden Quanten‑Chips sowie die Optimierung des Herstellungsprozesses sein, um ihn in die Standardpraktiken einer Halbleiter‑Foundry zu integrieren.
Investieren in Quantencomputing
Honeywell / Quantinuum (HON)
(HON )
Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum.
Honeywell bleibt Mehrheitsaktionär des Unternehmens (vermutlich 52 % Eigentum) nach einer Finanzierungsrunde, die es mit 10 Mrd. $ bewertet. Gründer Ilyas Khan soll etwa 20 % des Unternehmens besitzen. Weitere Aktionäre sind JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM und JP Morgan.
Ein möglicher Börsengang von Quantinuum, möglicherweise im Rahmen einer größeren Unternehmensumstrukturierung, wird von Analysten auf bis zu 20 Mrd. $ geschätzt und könnte zwischen 2026 und 2027 stattfinden.
Quantencomputing ist nicht der zentrale Teil von Honeywells Geschäft, das stärker auf Produkte in Luft‑ und Raumfahrt, Automatisierung sowie Spezialchemikalien & Materialien ausgerichtet ist.
Jeder dieser Bereiche könnte jedoch vom Quantencomputing profitieren, insbesondere computational chemistry und Quanten‑Cybersicherheit, was Honeywell möglicherweise einen Vorteil gegenüber seinen Wettbewerbern verschafft.
Das aktuelle Hauptmodell des Unternehmens ist Helios, der Nachfolger von H2 und der „genaueste Quantencomputer der Welt“. Er verfügt über rekordverdächtige 98 vollständig verbundene physische Qubits mit einer Einzel‑Qubit‑Gatter‑Fidelity von 99,9975 % und einer Zwei‑Qubit‑Gatter‑Fidelity von 99,921 % über alle Qubit‑Paare.
Wir nutzten Helios außerdem, um großskalige Simulationen in Hochtemperatur‑Supraleitung und Quantenmagnetismus durchzuführen – beides mit klaren Wegen zu realen Industrie‑Anwendungen.
Das Unternehmen verfolgt Hochqualitäts‑Computing mit sehr wenigen Fehlern, anstatt einfach möglichst viele Qubits hinzuzufügen, und schafft so das sogenannte „fehlerresistente Quantencomputing“.
Dieser Ansatz wird vom Unternehmen als „Bessere Qubits, bessere Ergebnisse“ bezeichnet, wobei eine ähnliche Anzahl von Qubits 100‑ bis 1.000‑fach zuverlässigere Resultate erzielt.
Quelle: Quantinuum
Dies könnte einen bemerkenswerten Unterschied bei dringend benötigter quantenresistenter Kryptografie bewirken. Das Verteidigungsunternehmen Thales (HO.PA -0,96 %) arbeitet bereits mit Quantinuum zusammen, ebenso wie internationale Banken wie HSBC und JP Morgan.
Quantinuum bietet zudem seine proprietäre Quanten‑Computational‑Chemistry InQuanto an, die für Pharmazeutika, Materialwissenschaften, Chemikalien, Energie und Luft‑ und Raumfahrtanwendungen nutzbar ist.
Wie viele andere Quanten‑Computing‑Unternehmen bietet Quantinuum Helios als „Hardware‑as‑a‑Service“ an, sodass Nutzer vom Quanten‑Computing profitieren können, ohne die Komplexität des Systembetriebs selbst bewältigen zu müssen.
Quantinuum unterzeichnete im November 2024 eine Partnerschaft mit dem deutschen Infineon, Europas größtem Halbleiterhersteller. Infineon wird seine integrierte Photonik‑ und Steuer‑Elektronik‑Technologie einbringen, um die nächste Generation von Ionen‑gefangenen Quanten‑Computern zu schaffen.
Da die integrierte Photonik näher an praktische Anwendungsfälle rückt, wird deutlich, wie wichtig diese Partnerschaft für die Zukunft von Quantinuum sein könnte. An diesem Punkt scheint der nächste Schritt des Unternehmens zu sein, den weltweit ersten KI‑fokussierten Photonik‑Quanten‑Chip zu veröffentlichen.
In den kommenden Monaten wird Quantinuum Ergebnisse aus laufenden Kooperationen teilen und das bahnbrechende Potenzial quantengetriebener Fortschritte im Bereich Generative KI demonstrieren.
Die innovative Gen‑QAI‑Fähigkeit wird die Nutzung von Metall‑Organischen Gerüsten für die Medikamentenabgabe verbessern und beschleunigen, wodurch effizientere und personalisierte Therapieoptionen ermöglicht werden; Details werden bei der Einführung von Helios enthüllt.
Quantinuum Announces Generative Quantum AI Breakthrough with Massive Commercial Potential
Weitere laufende Anwendungsfälle könnten den zukünftigen Wert des Unternehmens stark steigern und damit Honeywells Anteil daran erhöhen.
Generative Quanten‑KI: Das volle Potenzial der KI freisetzen
(Sie können mehr über den Rest von Honeywells industriellen Aktivitäten in Automatisierung, Luft‑ und Raumfahrt und fortschrittlichen Materialien im dem dem Unternehmen gewidmeten Bericht lesen.)
Neueste Honeywell (HON) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Studie referenziert
1. Gómez-López, E., Ritter, D., Kim, J. et al. Light storage in light cages: a scalable platform for multiplexed quantum memories. Light Sci Appl 15, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02085-5
