Der aktuelle Stand des Quantencomputings

Quantencomputing ist anders

Quantencomputing ist die Idee, die Quantenphysik zu nutzen, um Berechnungen durchzuführen, was sich von normalen, halbleiterbasierten Rechenmethoden unterscheidet. Statt 0 und 1 (kein Strom oder Strom) zu erzeugen, verwendet es „Quantenbits“, genannt Qubits, bei denen Teilchendaten entweder gleichzeitig 0 UND 1, oder 1, oder 0 sind.

Aufgrund des grundlegenden Unterschieds in der Art der Berechnung ist Quantencomputing nicht so sehr eine Alternative zum „normalen“ Computing, sondern eher eine Ergänzung.

Standard‑Computing arbeitet linear und hat Schwierigkeiten mit sehr komplexen Berechnungen, wie Klimamodellierung, Kryptographie oder der 3‑D‑Konfiguration komplexer Moleküle wie Proteine. Genau diese Art von Berechnungen soll das Quantencomputing hervorragend bewältigen.

So, während unsere Laptops und Smartphones wahrscheinlich nie Quantencomputer sein werden, könnten sie die wissenschaftliche Forschung revolutionieren.

Quantencomputing ist schwierig

Also, mit dem Versprechen, dass Quanten‑Supercomputer tausendmal besser als die bestehenden sein werden, ist es nicht überraschend, dass viel Forschung betrieben wurde, um sie zur Realität zu machen.

Aber das Problem ist, dass schon ein einziges Qubit technisch sehr schwierig zu erzeugen ist. Die erste Schwierigkeit besteht darin, dass Quantencomputing nur bei ultraniedrigen Temperaturen funktioniert, etwa einhundert Grad über dem absoluten Nullpunkt. Nur unter diesen Bedingungen werden einige einzigartige Materialien zu Supraleitern (Materialien ohne elektrischen Widerstand). Das ist energieintensiv, teuer und schwer zu erreichen.

Und dann ist es auch noch komplex, das Daten‑„Lesen“, die Kontrolle und Manipulation eines Qubits zu ermöglichen, was in der Regel ultra‑präzise Laser, atomare Mikroskope und Sensoren erfordert. Schließlich macht jede Störung das Qubit unbrauchbar, sodass auch ein perfektes Vakuum erreicht werden muss.

Während Halbleiter‑Chips Materie auf Skalen von nur wenigen Atomen manipulieren, versucht das Quantencomputing, Materie auf Teilchenebene zu handhaben. Insbesondere wird ein praktischer Quantencomputer Tausende von Qubits benötigen, um stabil zu bleiben und miteinander zu interagieren.

Quantencomputing entwickelt sich

Überschreiten der 1.000‑Qubit‑Schwelle

Ein Team unter der Leitung von Professor Gerhard Birkl von der „Atoms – Photons – Quanta“ Forschungsgruppe im Fachbereich Physik an der TU Darmstadt in Deutschland hat gerade den bisher größten Quantencomputer geschaffen.

Sie haben einen Quantencomputer mit 1.000 einzeln kontrollierbaren atomaren Qubits gebaut und damit ein Rennen im Feld gegen viele andere wissenschaftliche Teams gewonnen.

Quelle: Optica

Die 1.000‑Marke ist teilweise symbolisch, liegt aber auch in der Größenordnung, die für sinnvolle Anwendungen von Quantencomputern voraussichtlich nötig ist. Darunter bleiben sie meist ein wissenschaftliches Kuriosum und eine vielversprechende Idee, aber nicht viel mehr.

Die Technik verwendet „optische Tweezers“, spezielle Laser, die die Atome einzeln manipulieren können. Dank Fortschritten in der Mikro‑Optik ist dies die vielversprechendste Methode, um skalierbare, deutlich größere Systeme zu bauen.

Quelle: Optica

„Da die Anzahl der Linsen pro Quadratzentimeter leicht 100.000 erreicht und MLA‑Wafer mit Flächen von mehreren hundert Quadratzentimetern produziert werden können, haben sie ein enormes Skalierungspotenzial, nur durch die verfügbare Laserleistung begrenzt.“

Quelle: Optica

Durch die Perfektionierung des Einsatzes solcher optischen Tweezers hat Prof. Birkl gezeigt, dass große Quantencomputer mit Tausenden von Qubits gebaut werden können. Dies liefert das wesentliche Werkzeug, das andere Forschende benötigen, um Quantenberechnungen durchzuführen.

Quanten‑Simulatoren zur Lösung von Physik

Viele Probleme, mit denen Physiker heute kämpfen, hängen mit dem Teilchenverhalten auf Quantenebene zusammen, oder zumindest sobald mehr als 30 Teilchen simuliert werden. Das ist ein Problem, weil herkömmliche Computersysteme mit dem probabilistischen Verhalten von Teilchen und der Quantenphysik im Allgemeinen Schwierigkeiten haben.

Um dieses Problem zu lösen, wäre die ideale Situation, einen „Quanten‑Simulator“ zu entwickeln, bei dem Qubits das Verhalten von Quanten‑Teilchen simulieren können. Das liegt daran, dass Qubits selbst die Quanten‑Eigenschaften von Verschränkung und Superposition nutzen, die in einem normalen Computer schwer zu simulieren sind.

Während Quanten‑Simulatoren im Wesentlichen eine spezielle Art von Quantencomputer sind, bestand das Problem bisher darin, sie in die Lage zu versetzen, viele verschiedene Teilchen zu simulieren, anstatt für jede spezifische physikalische Fragestellung einen eigenen Simulator zu entwerfen.

Natalia Chepiga und ihre Forschungsgruppe, Assistenzprofessorin an der Delft University of Technology in the Netherlands, könnte eine Lösung gefunden haben.

Sie schlägt ein Protokoll vor, das einen vollständig kontrollierbaren Quanten‑Simulator in einem wissenschaftlichen Paper, veröffentlicht in Physical Review Letters erzeugt. Dieses funktioniert, indem zwei Laser mit unterschiedlichen Frequenzen bzw. Farben verwendet werden, wodurch der Berechnung eine zusätzliche Dimension hinzugefügt wird. Theoretisch könnte diese Methode erweitert werden, um mehr als 2 Dimensionen zum Rechenmodell des Quanten‑Simulators hinzuzufügen.

Quelle: TU Delft

Diese Art von Quanten‑Simulator könnte einen großen Schub für zahlreiche Forschungsbemühungen an der Grenze unseres derzeitigen Wissens geben, einschließlich ultra‑kalter Physik (einschließlich Supraleiter), Halbleiter, Materialwissenschaften, Telekommunikation und Energietechnologien (insbesondere Batterien).

Qudits statt Qubits

Die meisten Quantencomputing‑Designs konzentrieren sich auf Qubits und darauf, sie leichter zu manipulieren/programmieren und mehr davon zu erhalten. Eine Alternative ist die Verwendung von Quanten‑Ziffern, also „Qudits“.

„Ein Quantencomputer mit x Qubits kann 2^x Berechnungen durchführen. Ein Gerät mit x Qudits, wobei D die Anzahl der Zustände pro Qudit darstellt, kann D^x Berechnungen ausführen.

Das bedeutet, dass man dieselben Informationen mit weniger Quanten‑Teilchen codieren kann, wenn man Qudits verwendet.“

Martin Ringbauer, Quantenphysiker an der Universität Innsbruck in Österreich in IEEE Spectrum

Einfacher ausgedrückt: Je mehr D‑Dimensionen ein Quantencomputersystem hat, desto exponentiell leistungsfähiger wird es. Zusätzlich zu dieser effizienteren Berechnung mit Qudits statt Qubits werden sie voraussichtlich zuverlässiger sein und weniger Fehlerraten aufweisen als Qubits.

Es ist also große Neuigkeit, dass ein Forscherteam unter der Leitung von Andrea Morello an der UNSW in Australien ein 16‑dimensionales, hochkontrollierbares Qudit‑Computingsystem geschaffen hat. Mit D=16 erhöht jede weitere Qudit‑Einheit die Rechenkapazität um den Faktor 16.

Um dies zu erreichen, nutzten sie ein 123Sb‑Donoratoms (Antimon), das in ein Silizium‑Nanoelektronik‑Gerät ionenimplantiert wurde.

„Der kombinierte Hilbert‑Raum des Atoms erstreckt sich über 16 Dimensionen und kann sowohl über elektrische als auch magnetische Steuerfelder adressiert werden. Andrea Morello“

Dieses System erzielte bemerkenswerte Ergebnisse; insbesondere zeigte der Kernspin Gate‑Fidelitäten von über 99 % unabhängig vom Antriebsmechanismus. Das Antimon‑Atom ist zudem eine Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten 31P (Phosphor), da Antimon ein schwereres Atom ist und leichter zu manipulieren ist.

Diese technische und wissenschaftliche Errungenschaft wird weiter verbessert, insbesondere durch die Verwendung von isotopenreinem 28Si (Silizium), das die Rest‑29Si‑Konzentration entfernt und die Zuverlässigkeit des Systems (Kohärenzzeiten und Gate‑Fidelitäten) erhöht.

Stand der Entwicklung des Quantencomputings

Das Feld befindet sich noch immer in einem sehr frühen Stadium, wobei ständig neue Konzepte entstehen, wie nutzbare Qudits oder programmierbare Quanten‑Simulatoren.

In Kombination mit dem Fortschritt beim Bau von Systemen mit mehr als 1.000 Qubits zeigt dies, dass Quantencomputing in den kommenden Jahrzehnten ein sehr wichtiges wissenschaftliches Feld mit enormem ungenutztem Potenzial sein wird.

Derzeit wird die Forschung in Materialwissenschaften oder Biochemie durch KI angekurbelt, worüber wir in unserem Artikel “Disruptive Industries Coalescing Around a Core Technology – Artificial Intelligence (AI)” gesprochen haben.

Aber bald, in den nächsten 5‑10 Jahren, könnten wir praktische Ergebnisse von Quanten‑Computing‑Berechnungen sehen. Die Hardware bewegt sich jetzt von Gedankenspielen und Labor‑Demonstratoren zu Prototypen kommerzieller Forschungscomputer.

Der nächste Schritt wird die Entwicklung von Software sein, die das Potenzial des Quantencomputings maximiert – und die Produktion von Quantencomputern im großen Maßstab, um Kosten zu senken und eine gewisse Standardisierung zu ermöglichen.

So befindet sich das Quantencomputing in vielerlei Hinsicht in der Phase, in der die ersten kommerziellen Mainframes in den 1950er‑ und 1960er‑Jahren erschienen, bevor sie in den folgenden Jahrzehnten zu einem gängigen Geschäfts‑ und Forschungswerkzeug wurden.

Anwendungen des Quantencomputings

Während es schwer ist, alles vorherzusagen, wissen wir bereits einige Segmente, die stark von einer breiteren Verfügbarkeit des Quantencomputings profitieren werden:

• Biochemische Modellierung: von der Bestimmung der 3‑D‑Form eines Proteins bis hin zur Genexpression, die Berechnung komplexer biologischer Moleküle bis hin zu den Atomen könnte die Biotechnologieforschung revolutionieren.
• Klimamodellierung: Klimamodelle sind außerordentlich komplex und stoßen an die Grenzen dessen, was aktuelle Supercomputer leisten können. Ein besseres Verständnis des Klimas mit einer feineren Berechnungsskala im Modell, sowohl geografisch als auch zeitlich, könnte helfen, die Risiken des Klimawandels besser zu verstehen.
• Halbleiter: Quantencomputer könnten eingesetzt werden, um normale Computerchips deutlich leistungsfähiger zu machen. Da „normale“ Chips bereits die Nanometer‑Skala erreichen, werden Quanten‑Phänomene zunehmend problematisch, und Quantencomputer könnten nötig sein, um sie zu lösen.
• Materialwissenschaft: Ein besseres Verständnis der Quantenphysik und der Reaktion von Materialien bis hin zu einzelnen Atomen kann zu neuen Designs für Materialien führen, die in der Luft‑ und Raumfahrt, bei Batterien, im 3‑D‑Druck, in der Fertigung usw. eingesetzt werden.
• Kryptographie: Quantencomputer könnten potenziell alle aktuellen Kryptographiemethoden obsolet machen. Das ist ein ernstes Problem für militärische, finanzielle & IT‑Systeme. Gleichzeitig könnte es die Kryptographie noch sicherer machen.

Quantencomputing‑Aktien

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) war die treibende Kraft hinter der Kommerzialisierung des ersten Mainframe‑Computers. Allerdings ist das Unternehmen hinter anderen Technologieriesen wie Apple, TSMC und NVIDIA zurückgefallen.

Es steht jedoch an vorderster Front der Entwicklung von Quantencomputern. Beispielsweise entwickelte es den 127‑Qubit‑„Eagle“‑Quantencomputer, dem ein 433‑Qubit‑System namens „Osprey“ folgte.

Und das wird jetzt von „Condor“, einem 1.121‑Supraleitungs‑Qubit‑Quantenprozessor gefolgt, basierend auf Cross‑Resonance‑Gate‑Technologie, zusammen mit „Heron“, einem Quantenprozessor am absoluten Rand des Feldes.

Schließlich veröffentlichte IBM im Februar 2024 Qiskit 1.0, das populärste Quanten‑Computing‑SDK, mit Verbesserungen beim Schaltungsaufbau, bei den Kompilierungszeiten und beim Speicherverbrauch im Vergleich zu früheren Versionen.

Für die Zukunft hat IBM bereits sein nächstes großes Ziel angekündigt, da seine aktuellen Quanten‑Chips die derzeitige Infrastruktur „überwachsen“ könnten. Dieses Ziel heißt „IBM Quantum System Two“; ein modulares System, das potenziell bis zu 16.632 Qubits unterstützen kann.

IBM’s Stärke lag seit seiner Gründung in der Entwicklung ultra‑leistungsfähiger Supercomputer, ein Marktsegment, das vom Aufstieg der Konsumelektronik und standardisierter Chips überschattet wurde. Das Aufkommen des Quantencomputings bietet IBM die Gelegenheit, erneut zu glänzen und in diesem kommenden, wichtigen Segment der Wissenschaftsforschung und der Großunternehmen‑Rechenbedürfnisse eine Führungsrolle zu übernehmen.

2. Microsoft Corporation

Microsoft ist bereits ein führender Anbieter von „normalen“ Cloud‑Diensten und ein Vorreiter beim Angebot von Quanten‑Computing‑Cloud‑Services mit Azure Quantum. Es ist durchaus möglich, dass die meisten Quanten‑Computing‑Anwendungen in Zukunft von Forschenden „remote“ über Cloud‑Dienste wie die von Microsoft durchgeführt werden, anstatt dass sie direkten Zugriff auf einen eigenen Quantencomputer haben.

Dies ist besonders wahrscheinlich, da letztlich die meisten Quanten‑Computing‑Anwendungen von Biochemikern, Materialwissenschaftlern, Klimawissenschaftlern und anderen Spezialisten erforscht werden, die keinen spezifischen Hintergrund im Quantencomputing besitzen. Daher ist es sinnvoller, dedizierte Fachleute bei Unternehmen wie IBM, Microsoft oder Google die Rechenarbeit übernehmen zu lassen, als Personen ohne Feldkenntnisse einzustellen oder auszubilden.

Der Service kann zudem „Hybrid‑Computing“ anbieten, das Quantencomputing mit traditionellem, cloud‑basiertem Supercomputer‑Service kombiniert.

Quelle: Microsoft

Statt einer vertikalen Integration hat Microsofts Ansatz zum Quantencomputing darin bestanden, Partnerschaften mit führenden Unternehmen im Feld einzugehen, die praktisch alle möglichen Technologien abdecken, die nötig sind, um Quantencomputing zu realisieren, wie IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT) und Rigetti (RGTI).

Quelle: Microsoft

Quantencomputing ist nicht zentral für Microsofts Kerngeschäft, zumindest nicht derzeit. Es ist jedoch ein zentraler Akteur im Sektor und könnte eine „sicherere“ Aktienwahl darstellen, als direkt Anteile seiner öffentlich gehandelten Quanten‑Computing‑Partner wie QCI oder Rigetti zu erwerben.

3. Alphabet Inc.

Google ist sehr aktiv im Quantencomputing, hauptsächlich über das Google Quantum AI‑Labor und den Quantum AI‑Campus in Santa Barbara.

Der Quantencomputer von Google schrieb 2019 Geschichte, als Google behauptete, mit seiner Sycamore‑Maschine „Quanten‑Suprematie“ erreicht zu haben, indem sie eine Berechnung in 200 Sekunden durchführte, die ein konventioneller Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde.

Vielleicht ist Googles größter Beitrag jedoch die Software, ein Bereich, in dem das Unternehmen eine deutlich bessere Erfolgsbilanz als bei Hardware hat (Suche, G‑Suite, Android usw.). Bereits jetzt stellt Googles Quantum AI eine Suite von Software bereit, die Wissenschaftlern bei der Entwicklung von Quanten‑Algorithmen hilft.

Google könnte einer der Unternehmen werden, die die Standards für Quanten‑Computing‑Software & -Programmierung setzen und damit maßgeblich bestimmen, wohin sich das Feld in Zukunft entwickelt.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum (und, wie bereits erwähnt, ein Partner von Microsofts Quanten‑Cloud‑Computing).

Quantinuum konzentriert sich derzeit auf Segmente, die von anderen Quanten‑Computing‑Systemen weniger erforscht werden, insbesondere Finanz‑ und Lieferketten‑Analysen, über seine Quantum Monte Carlo Integration (QMCI)‑Engine, die im September 2023 gestartet wurde.

QMCI wird für Probleme eingesetzt, für die es keine analytische Lösung gibt, wie die Preisgestaltung von Finanzderivaten oder die Simulation von Ergebnissen hochenergetischer Teilchenphysik‑Experimente, und verspricht rechnerische Fortschritte in Wirtschaft, Energie, Logistik der Lieferkette und anderen Sektoren.

Wie bei Microsoft ist Quantencomputing nicht der zentrale Teil von Honeywells Geschäft, das stärker auf Produkte in Luft‑ und Raumfahrt, Automation sowie Spezialchemikalien & Materialien ausgerichtet ist.

Allerdings kann man, wenn man bedenkt, dass jeder dieser Geschäftsbereiche von Quantencomputing profitieren könnte, das Geschäftsmodell von Honeywell leicht nachvollziehen.

So macht Honeywell sowohl Anbieter von Quanten‑Computing‑Dienstleistungen als auch eines der Unternehmen, das von der Anwendung von Quantencomputern auf reale Geschäftsprobleme profitieren könnte – etwas, das die Integration von Quantinuum in die Gruppe schneller voranbringen dürfte als bei industriellen Wettbewerbern.

5. Intel

Intel ist ein großer Chip‑Hersteller und scheint seine Stärke in den Quanten‑Computing‑Bereich einbringen zu wollen.

Vor kurzem brachte Intel „Tunnel Falls“, den „ fortschrittlichsten Silizium‑Spin‑Qubit‑Chip“ heraus. Bemerkenswert ist, dass es sich nicht um einen Prototypen, sondern um einen in Serie gefertigten Chip handelt, mit einer Ausbeute von 95 % über das gesamte Wafer und einer einheitlichen Spannung. Das eröffnet den Weg zur Massenproduktion von Quanten‑Computing‑Chips, etwas, das bislang in einer jungen und sich schnell wandelnden Branche kaum realisierbar war.

Quelle: Intel

Treue zu seinen Wurzeln entwickelt Intel auch die Software, um seine Chips zu nutzen, mit der Veröffentlichung des Intel Quantum SDK. Dieses bietet Richtlinien für Programmierer, um Software für Quantencomputing zu entwickeln, die mit Intels Quanten‑Chip‑Design kompatibel ist – ein historisch sehr starkes und profitables Geschäfts‑Moat für Intels konventionelles Chip‑Geschäft.

Quelle: Intel

Das Aufkommen skalierbarer Quanten‑Chip‑Fertigung könnte für die Branche ebenso revolutionär sein wie jede andere bedeutende wissenschaftliche Durchbruch, indem Kosten gesenkt und einheitliche Programmierstandards sowie Chip‑Architekturen etabliert werden.

Intel ist ein Unternehmen, das aus Erfahrung weiß, welch starke Kraft das in der Computer‑Industrie sein kann, und das weiterhin auf den Erfolgen und Patenten seiner Innovationen seit den 1960er‑Jahren aufbaut.

6. Defiance Quantum ETF

Der Quanten‑Computing‑Sektor ist noch sehr jung. Bisher wurde er größtenteils von großen Technologiekonzernen mit tiefen Taschen übernommen, die Milliarden von Dollar in diese Art von Grundlagenforschung investieren können.

Allerdings sind auch viele kleinere Unternehmen in diesem Feld aktiv, einige davon arbeiten mit den genannten Giganten zusammen, um ihre Technologie einzusetzen.

Für nicht‑spezialisierte Anleger kann es eine recht schwierige Aufgabe sein, die Komplexität der verschiedenen Quanten‑Computing‑Technologien zu verstehen und noch schwieriger, vorherzusagen, welche kommerziell erfolgreich sein werden.

Während eine direkte Investition in kleine Quanten‑Computing‑Start‑Ups eine Option ist, kann man stattdessen auch auf einen ETF setzen, um dem Sektor ausgesetzt zu sein und gleichzeitig zu diversifizieren – zu geringeren Kosten.

Der Defiance Quantum ETF enthält 69 verschiedene Aktien, die mit Quanten‑Computing in Zusammenhang stehen, darunter Quanten‑Computer‑ und Chip‑Entwickler sowie Anbieter von Kühlsystemen, Lasern, Software und anderer Technologie, die in Quanten‑Computern oder der Produktion von Quanten‑Chips verwendet wird.

Quelle: Defiance ETF

In diesem sich schnell entwickelnden Feld werden die meisten Anleger, selbst solche, die mit der Halbleiter‑Industrie vertraut sind, wahrscheinlich von einer gewissen Diversifizierung profitieren. Das lässt sich entweder durch das Setzen auf einzelne Technologieriesen, die die richtigen Partnerschaften eingehen, oder durch ein breites Aktien‑Array erreichen – letzteres lässt sich oft effizienter über einen dedizierten ETF realisieren.