Quantencomputing: Neuer intelligenter Verstärker spart Energie

Ein Forscherteam der Chalmers University of Technology in Schweden stellte ein intelligentes Verstärkersystem vor, das Quantencomputer ermöglicht, ihre Qubit‑Daten zu maximieren. Das Upgrade würde zukünftigen Geräten helfen, zu skalieren, um der wachsenden Nachfrage nach KI‑zentrierten Computersystemen gerecht zu werden. So haben Ingenieure Qubit‑Verstärker eingesetzt, um die Leistung von Quantencomputern zu steigern.

Quantencomputer

In letzter Zeit wurde viel über Quantencomputer gesprochen. Diese Geräte, die erst 1998 erfunden wurden, nutzen Qubits anstelle traditioneller Computerbits. Der erste Quantencomputer war ein 2‑Qubit‑Nuklearmagnetresonanz‑(NMR‑)Quantencomputer.
Sein Design war revolutionär, da es quantenmechanische Phänomene wie Superposition und Verschränkung integrierte, um seine Aufgaben zu erfüllen. Bemerkenswerterweise können Quantencomputer Supercomputer übertreffen und sind in der Lage, die komplexesten Berechnungen zu bewältigen, die der Menschheit heute bekannt sind.

Bits vs Qubits

Ihre Leistungsfähigkeit stammt aus der Verwendung von Qubits anstelle von Bits. Heutige Computer basieren auf Bits, um zu funktionieren. Bits werden als 1 und 0 im Binärcode übertragen. Jede Kombination dieser Ziffern kann für Computer bestimmte Informationen darstellen. Der Binärcode ist seit Jahrzehnten eine solide Grundlage für die Informatik.
Die Einführung von Quantenbits, also Qubits, verändert alles. Durch die Nutzung von Superposition können Qubits gleichzeitig alle Werte tragen, was eine enorme Rechenkapazität ermöglicht. Bemerkenswerterweise verlassen sich alle Quantencomputer auf spezielle Geräte, die die Quantendaten interpretieren, sogenannte Verstärker.

Verstärker

Verstärker verstärken empfindliche Mikrowellen, um Qubit‑Signale zu verstärken. Sie sind ein entscheidendes Bauteil im Design von Quantencomputern, da sie sicherstellen, dass Qubit‑Daten sofort aufgezeichnet werden, bevor der Quantenzustand verschwindet.

Einschränkungen von Quantencomputern

Es gibt einige Einschränkungen von Quantencomputern, die ihre Verbreitung verlangsamt haben. Zum einen sind sie extrem teuer in Bau und Betrieb. Diese Geräte müssen bei kryogenen Temperaturen gehalten werden, um die Qubits zu stabilisieren und eine Dekohärenz zu verhindern.
Dekohärenz kann aus vielen Gründen auftreten, darunter magnetische, elektrische oder thermische Störungen. Letzteres ist ein ernstes Problem, da jeder Verstärker, der zu einem Quantencomputersystem hinzugefügt wird, zusätzliche Wärme und Energiebedarf erzeugt. Die kleinste Temperaturänderung kann dazu führen, dass Qubits ihre Integrität verlieren und für Berechnungen unbrauchbar werden.

Einblick in die Studie zum intelligenten Verstärker

Die Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout-Studie¹, vorgelegt von Ingenieuren der Chalmers University of Technology in Schweden, stellt eine neuartige Methode vor, um die Leistung von Quantencomputern zu skalieren. Der neue Ansatz beruht auf leistungsstarken Qubits, die von einem eigens entwickelten Verstärker und Algorithmus angetrieben werden.

Das Quantencomputersystem nutzt ein modifiziertes, kommerziell erhältliches kryogenes Hybridgerät, um mit einem intelligenten Verstärker zu arbeiten. Der intelligente Verstärker wurde so gebaut, dass er nur funktioniert, wenn Quantenbits pulsen. Dieser Ansatz brachte viele Herausforderungen mit sich, die die Forscher überwinden mussten, um erfolgreich zu sein.

Quelle – Chalmers University of Technology

Zum einen musste das Team das Gerät so konfigurieren, dass es schnell genug arbeitet, um zwischen Qubit‑Pulsen ein- und auszuschalten. Um diese Aufgabe zu bewältigen, entwickelten die Ingenieure einen speziellen Algorithmus. Der optimierte Gate‑Spannungs‑Wellenform‑Algorithmus ermöglichte dem Verstärker, genauer zu arbeiten. Der Algorithmus war zudem entscheidend, um den Stromverbrauch und die vom Gerät erzeugte Wärme zu reduzieren.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verstärkern, die ständig laufen, erfordert der Puls‑Ansatz, dass das Gerät in Millisekunden einschaltet. Ingenieure haben den Algorithmus feinabgestimmt, um diese Aufgabe zu erfüllen, und dabei sichergestellt, dass der intelligente Verstärker schnell genug aktiviert wird, um mit dem Qubit‑Auslesen Schritt zu halten.

Wie der intelligente Verstärker getestet wurde

Die Ingenieure stellten ihren neuen quanten‑intelligenten Verstärker mehreren Tests zu, um seine Fähigkeiten und Leistungskennzahlen zu gewährleisten. Das Team begann mit der Analyse der Erholungsgrenzen der Verstärker. Dieser Test beinhaltete das Aufzeichnen des transienten Rauschens des Geräts und die Messung der Leistung.

Die Ingenieure mussten sicherstellen, dass die Dekohärenz während dieser Berechnungen minimal war. Daher ließ das Gerät mehrere hochrangige Berechnungen durchführen und registrierte jedes erzeugte Rauschen, während das System eng zusammenarbeitete.

Konkret nutzte das Team ein kryogenes Zeitbereichs‑Rauschmess-Setup mit einer Zeitauflösung von 5 ns. Auf dieser Basis verbesserten die Wissenschaftler die Genauigkeit, indem sie die gemessene Rausch‑Standardabweichung (SD) unter 0,3 K hielten.

Der nächste Test maß das Zeitbereichs‑Rauschen und die Verstärkungsleistung als Reaktion auf eine quadratische Gate‑Spannungs‑Wellenform. Dies war einer der schwierigsten Teile ihrer Arbeit, da Qubits in Nanosekunden pulsen, was die zeitliche Erfassung und Registrierung ihres Auftretens zu einer Herausforderung macht.

Abschließend dokumentierte das Team die Drain‑Strom‑Transienten, wodurch sie den durchschnittlichen Stromverbrauch des pulsbetriebenen intelligenten Verstärkers berechnen konnten. Das System berücksichtigte alle Leistungsanforderungen, einschließlich des Leistungsverlusts während der Puls‑Operationen.

Ergebnisse des intelligenten Verstärkers: Schneller, kühler, besser

Die Testergebnisse des intelligenten Verstärkers sind im Vergleich zu Vorgängern beeindruckend. Interessanterweise stellt die Studie die erste erfolgreiche Demonstration von rauscharmen Halbleiter‑Verstärkern für das Quanten‑Auslesen im Pulsbetrieb dar und öffnet damit die Tür für zukünftige Innovationen.

Bemerkenswerterweise maßen die Ingenieure die Reaktionszeit des Verstärkers, um zu sehen, wie schnell er auf Qubits reagieren kann. Das Gerät erreicht eine Zeit von 35 Nanosekunden beim Messen der Qubits. Sie stellten außerdem fest, dass der Verstärker während seines Duty‑Cycles deutlich weniger Wärme und Störungen erzeugte, was zu einer saubereren Signalempfang führte.

Die Gruppe bewies, dass ihr Puls‑Ansatz den Stromverbrauch senkt, ohne die Leistung zu verringern. In der Vergangenheit führten zusätzliche Verstärker zu einem höheren Energieverbrauch des Systems. Erst als diese Forscher Zeit investierten, um einen zuverlässigen Puls‑Algorithmus zu untersuchen und zu erstellen, konnten Verstärkerleistung und Energieverbrauch erfolgreich entkoppelt werden.

Wesentliche Vorteile des intelligenten Verstärkers

Es gibt eine lange Liste von Vorteilen, die der intelligente Verstärker für den Markt der Quantencomputer mit sich bringt. Zum einen könnte er sich als entscheidend für die Entwicklung von Hochleistungs‑ und energieeffizienten Quantencomputern erweisen. Diese Systeme würden eine zuverlässige und effiziente Struktur für großskalige Anwendungen bieten.

Erhöhte Empfindlichkeit

Der intelligente Verstärker liefert dank seines Puls‑Designs genauere und empfindlichere Messungen von Qubit‑Daten. Der Algorithmus stellt sicher, dass das Gerät nur arbeitet, wenn die Qubits aktiv sind. Er stellt den empfindlichsten je mit Transistoren gebauten Verstärker dar und markiert einen bedeutenden Meilenstein im Quantencomputer‑Sektor.

Hoch effiziente Leistung

Das Design bietet zudem den Vorteil der Energieeffizienz. Dieses Puls‑Design reduziert den durchschnittlichen Stromverbrauch im Vergleich zum Dauerbetrieb um bis zu ~85–90 %. Diese Effizienz ist für das Design entscheidend, da KI‑Protokolle, die von Quantencomputern ausgeführt werden, ebenfalls viel Energie benötigen.

Geringe Wärmeentwicklung

Ein weiterer Vorteil des pulsbasierten intelligenten Verstärkers besteht darin, dass er deutlich weniger Wärme erzeugt als seine Vorgänger. Das neue Gerät ermöglicht es den kryogenen Kammern, die Quantencomputer zum Betrieb benötigen, mit weniger Aufwand zu arbeiten. Außerdem eröffnet es die Möglichkeit, dass diese Geräte künftig kleiner werden und in mehr Systeme integriert werden können.

Einsatzmöglichkeiten in der Praxis und Rollout‑Zeitplan

Es gibt eine lange Liste von realen Anwendungsmöglichkeiten für hocheffiziente Verstärker. Der offensichtliche Einsatz besteht darin, Quantencomputer aufzurüsten und sie der Öffentlichkeit zugänglicher zu machen. Bald werden Quantencomputer‑Rechenzentren über Cloud‑Dienste Hochleistungs‑Rechenkapazitäten für die Massen bereitstellen. Von dort aus sollte die Technologie schließlich für den Durchschnittsbürger erschwinglich werden.

Es könnte mehr als 10 Jahre dauern, bis Sie einen von einem intelligenten Verstärker betriebenen Quantencomputer nutzen können. Es gibt nach wie vor viele Kostenbeschränkungen für diese Geräte, etwa die Notwendigkeit, kryogene Kammern zu betreiben. Dennoch werden in den nächsten 5 Jahren cloud‑basierte Quantencomputer‑Dienste an Schwung gewinnen.

Arzneimittelentwicklung

Quantencomputer, die fortschrittliche KI‑Algorithmen antreiben, werden das medizinische Feld revolutionieren. Bereits jetzt spielen KI‑Systeme eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von Medikamenten und Therapien. In den kommenden Jahren werden Hochleistungs‑Quantencomputer dazu beitragen, das Testen und die Entwicklung neuer Medikamente zu verbessern, ohne Versuchspersonen einsetzen zu müssen.

Verschlüsselung

Der Verschlüsselungssektor wird erhebliche Veränderungen erleben, sobald Quantencomputer in den Dienst treten. Diese Geräte verfügen über genügend Leistung, um herkömmliche, computerbasierte Sicherheitsprotokolle schnell zu zerschlagen. Daher werden sie sich als entscheidend für die Sicherung zukünftiger Computersysteme und die Verhinderung großflächiger Datenlecks oder Hacks erweisen.

Antrieb für das KI‑Morgen

Der beste Anwendungsfall für intelligente Verstärker liegt in der Schaffung von Quantencomputern, die zukünftige KI‑Systeme antreiben. KI‑Protokolle sind nur so gut wie ihr Training und ihre Datensätze. Quantencomputer könnten massive Datenmengen nutzen und archivierte Informationen in Rekordzeit abrufen. Dieser Ansatz würde es diesen Systemen ermöglichen, massive und komplexe Berechnungen in Sekunden durchzuführen.

Logistik

Der Logistiksektor ist ein weiteres Gebiet, in dem Quantencomputer glänzen könnten. Der Logistikmarkt umfasst täglich Billionen von Gütern, die weltweit transportiert werden. Die Einführung von IoT‑ (Internet of Things)‑Geräten und KI hat die Rückverfolgbarkeit verbessert.

Allerdings verfügen diese Systeme nicht über die nötige Leistung, um mit der wachsenden Anzahl von Sensoren und anderen Eingaben, die entlang der Produktreise entstehen, Schritt zu halten. Quantencomputer könnten zukünftige Logistiksysteme unterstützen und Echtzeit‑Effizienzsteigerungen über massive Netzwerke hinweg ermöglichen.

Forscher der Studie zum intelligenten Verstärker

Die Studie zum intelligenten Verstärker wurde von einem Forscherteam der Chalmers University of Technology in Schweden veröffentlicht. Die Studie nennt Yin Zeng und Maurizio Toselli als Hauptautoren der Arbeit. Außerdem wird die Unterstützung von Jörgen Stenarson, Peter Sobis und Jan Grahn, einem Professor für Mikrowellenelektronik an der Chalmers, aufgeführt.

Die Finanzierung des Projekts stammt aus dem Vinnova‑Programm „Smarter electronic systems“ und dem Chalmers Centre for Wireless Infrastructure Technology (WiTECH).

Zukunft der Studie zum intelligenten Verstärker

Die Forscher sehen ihre Arbeit als Grundlage für zukünftige Entwicklungen. Sie hoffen, ihre Studien zu Hochleistungs‑Qubit‑Verstärkern fortzusetzen und daran zu arbeiten, das Gerät leichter in zukünftige Quantencomputer‑Chips zu integrieren.

Investitionen in Quantencomputer

Die Quantencomputer‑Branche hat mehrere hochkarätige Akteure, die um die Spitzenposition kämpfen. Diese Unternehmen haben Millionen in die Entwicklung von Hochleistungsgeräten investiert, die Berechnungen auf einem Niveau durchführen können, das selbst Supercomputer nie erreichen könnten. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin praktikable Lösungen für den Markt bietet.

Nvidia

Wenn Sie an Nvidia (NVDA ) denken, haben Sie wahrscheinlich Vorstellungen von stark nachgefragten GPUs. Das Unternehmen hat sich einen Ruf als führender Anbieter dieser Geräte erworben, die in High‑End‑Grafik- und Krypto‑Mining‑Operationen von entscheidender Bedeutung sind.

Was die meisten Menschen nicht wissen, ist, dass Nvidia auch eine entscheidende Rolle im Quantencomputer‑Markt spielt, wo es Hardware und Dienstleistungen für Hersteller bereitstellt. Zu den neuesten Produkten des Unternehmens gehört das NVIDIA DGX Quantum.

Dieses Hochleistungssystem und die Referenzarchitektur wurden speziell entwickelt, um das Quanten‑klassische Computing zu unterstützen. Das Produkt wurde in Zusammenarbeit mit einem weiteren wichtigen Akteur des Sektors, Quantum Machines, entwickelt.

Bemerkenswerterweise setzt Nvidia die Forschung und Entwicklung von Quantum Processing Units (QPUs) fort, um die bevorzugte Hardware‑Lösung für zukünftige Systeme zu werden. Wenn das Unternehmen seine Position und den First‑Mover‑Status nutzen kann, könnte dies dazu führen, dass es eine Marktdominanz erreicht, ähnlich wie im Grafikkarten‑Sektor.

Jeder, der in mehrere High‑Tech‑Sektoren investieren möchte, darunter KI, Grafik, Gaming und Quantencomputing, sollte Nvidia genauer untersuchen. Das Unternehmen hat sich einen Ruf als Qualitäts‑Hardware‑Anbieter gesichert. In Zukunft hofft es, die Infrastruktur zu schaffen, die nötig ist, um die Hochleistungs‑Computingsysteme von morgen zu betreiben.

Neueste Nvidia (NVDA) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Abschließende Gedanken: Ein Schritt näher zu skalierbarem Quantencomputing

Die Studie zum intelligenten Verstärker stellte einen zuverlässigen Weg vor, die weltweit leistungsstärksten Computer noch schneller zu machen. Darüber hinaus reduziert das Gerät den Stromverbrauch, was es ideal für den Einsatz in nachhaltigen Systemen macht. All diese Faktoren machen den intelligenten Verstärker zu einem Wendepunkt, der eine neue Ära ultra‑leistungsfähiger Computer einläuten könnte.

Erfahren Sie mehr über andere Quantencomputer‑Entwicklungen hier.

Studien zitiert:

^{1. Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P., & Grahn, J. (2025). Pulsed HEMT LNA operation for qubit readout. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vorab‑Online‑Veröffentlichung. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982}