Was kommt als nächstes für Quantencomputing?

Unternehmen entfernen sich von der Aufstellung von Qubit-Rekorden und setzen stattdessen auf praktische Hardware und langfristige Ziele.

Diese Geschichte ist Teil der „What's Next“-Reihe von MIT Technology Review, in der wir einen Blick auf Branchen, Trends und Technologien werfen, um Ihnen einen ersten Blick in die Zukunft zu geben

Im Jahr 2023 wird der Fortschritt im Quantencomputing weniger durch große Hardware-Ankündigungen als vielmehr dadurch bestimmt, dass Forscher jahrelange harte Arbeit bündeln, Chips dazu bringen, miteinander zu kommunizieren, und sich von dem Versuch abwenden, mit Lärm auszukommen, da das Feld immer internationaler wird Umfang.

Jahrelang wurde der Nachrichtenzyklus zum Thema Quantencomputing von Schlagzeilen über rekordverdächtige Systeme dominiert. Forscher von Google und IBM streiten darüber, wer was erreicht hat – und ob sich der Aufwand gelohnt hat. Doch die Zeit des Streits darüber, wer den größten Prozessor hat, scheint vorbei zu sein: Die Unternehmen bereiten sich mit gesenktem Kopf auf das Leben in der realen Welt vor. Plötzlich benehmen sich alle wie Erwachsene.

Als ob man unterstreichen möchte, wie sehr Forscher aus dem Hype-Zug aussteigen wollen, wird IBM voraussichtlich im Jahr 2023 einen Prozessor ankündigen, der dem Trend, immer mehr Quantenbits, sogenannte „Qubits“, ins Spiel zu bringen, entgegensteht. Qubits, die Verarbeitungseinheiten von Quantencomputern, können aus einer Vielzahl von Technologien aufgebaut werden, darunter supraleitende Schaltkreise, eingefangene Ionen und Photonen, die Quantenteilchen des Lichts.

IBM verfolgt seit langem die Entwicklung supraleitender Qubits, und im Laufe der Jahre hat das Unternehmen stetige Fortschritte bei der Erhöhung der Zahl gemacht, die auf einem Chip untergebracht werden kann. Im Jahr 2021 stellte IBM beispielsweise einen mit rekordverdächtigen 127 Stück vor. Im November stellte das Unternehmen seinen 433-Qubit-Osprey-Prozessor vor und das Unternehmen plant, im Jahr 2023 einen 1.121-Qubit-Prozessor namens Condor auf den Markt zu bringen.

Aber in diesem Jahr wird IBM voraussichtlich auch seinen Heron-Prozessor vorstellen, der nur über 133 Qubits verfügen wird. Es mag wie ein Rückschritt aussehen, aber wie das Unternehmen betont, werden die Qubits von Heron von höchster Qualität sein. Und vor allem wird jeder Chip in der Lage sein, sich direkt mit anderen Heron-Prozessoren zu verbinden, was einen Wandel von einzelnen Quantencomputerchips hin zu „modularen“ Quantencomputern einläutet, die aus mehreren miteinander verbundenen Prozessoren bestehen – ein Schritt, der Quantencomputern voraussichtlich zu einer erheblichen Skalierung verhelfen wird .

Heron ist ein Signal für größere Veränderungen in der Quantencomputerbranche. Dank einiger neuerer Durchbrüche, aggressiver Roadmaps und hoher Finanzierung könnten wir Allzweck-Quantencomputer früher sehen, als viele noch vor ein paar Jahren erwartet hätten, vermuten einige Experten. „Insgesamt geht es auf jeden Fall rasant voran“, sagt Michele Mosca, stellvertretender Direktor des Institute for Quantum Computing an der University of Waterloo.

Hier sind einige Bereiche, in denen Experten Fortschritte erwarten.

Das Heron-Projekt von IBM ist nur ein erster Schritt in die Welt des modularen Quantencomputings. Die Chips werden mit herkömmlicher Elektronik verbunden sein, sodass sie die „Quantität“ der Informationen bei der Übertragung von Prozessor zu Prozessor nicht aufrechterhalten können. Es besteht jedoch die Hoffnung, dass solche Chips, letztendlich miteinander verbunden über quantenfreundliche Glasfaser- oder Mikrowellenverbindungen, den Weg zu verteilten, großen Quantencomputern mit bis zu einer Million verbundenen Qubits ebnen. So viele werden möglicherweise benötigt, um nützliche, fehlerkorrigierte Quantenalgorithmen auszuführen. „Wir brauchen Technologien, die sich sowohl in der Größe als auch in den Kosten skalieren lassen, daher ist Modularität der Schlüssel“, sagt Jerry Chow, Direktor bei IBM Quantum Hardware System Development.

Andere Unternehmen beginnen mit ähnlichen Experimenten. „Dinge miteinander zu verbinden ist plötzlich ein großes Thema“, sagt Peter Shadbolt, wissenschaftlicher Leiter von PsiQuantum, das Photonen als Qubits verwendet. PsiQuantum gibt einem siliziumbasierten modularen Chip den letzten Schliff. Shadbolt sagt, dass das letzte benötigte Teil – ein extrem schneller, verlustarmer optischer Schalter – bis Ende 2023 vollständig demonstriert sein wird. „Das gibt uns einen Chip mit allen Funktionen“, sagt er. Dann kann mit dem Bau im Lagermaßstab begonnen werden: „Wir nehmen alle Siliziumchips, die wir herstellen, und fügen sie zu einem gebäudegroßen, computerähnlichen Hochleistungssystem zusammen.“

Laut Jack Hidary, CEO von SandboxAQ, einem Quantentechnologieunternehmen, das letztes Jahr aus Alphabet ausgegliedert wurde, bedeutet der Wunsch, Qubits zwischen Prozessoren zu verschieben, dass jetzt eine etwas vernachlässigte Quantentechnologie in den Vordergrund rücken wird. Quantenkommunikation, bei der kohärente Qubits über Entfernungen von bis zu Hunderten von Kilometern übertragen werden, werde im Jahr 2023 ein wesentlicher Bestandteil der Quantencomputing-Geschichte sein, sagt er.

„Der einzige Weg, Quantencomputing zu skalieren, besteht darin, Module mit einigen tausend Qubits zu erstellen und mit der Verknüpfung dieser zu beginnen, um eine kohärente Verknüpfung zu erhalten“, sagte Hidary gegenüber MIT Technology Review. „Das könnte im selben Raum sein, aber auch auf dem gesamten Campus oder in mehreren Städten. Wir kennen die Leistungsfähigkeit des verteilten Rechnens aus der klassischen Welt, aber für Quanten brauchen wir kohärente Verbindungen: entweder ein Glasfasernetzwerk mit Quanten-Repeatern oder eine Glasfaser, die zu einer Bodenstation und einem Satellitennetzwerk führt.“

Viele dieser Kommunikationskomponenten wurden in den letzten Jahren demonstriert. Im Jahr 2017 zeigte beispielsweise der chinesische Satellit Micius, dass kohärente Quantenkommunikation zwischen Knoten möglich ist, die 1.200 Kilometer voneinander entfernt sind. Und im März 2022 demonstrierte eine internationale Gruppe akademischer und industrieller Forscher einen Quantenrepeater, der Quanteninformationen effektiv über 600 Kilometer Glasfaser weiterleitete.

Während die Industrie Qubits vernetzt, entfernt sie sich gleichzeitig von einer Idee, die in den letzten fünf Jahren in Mode gekommen ist – dass Chips mit nur ein paar hundert Qubits in der Lage sein könnten, nützliche Berechnungen durchzuführen, auch wenn sie leicht Rauschen verursachen stört ihren Betrieb.

Diese als „Noisy Intermediate-Scale Quantum“ (NISQ) bezeichnete Vorstellung wäre eine Möglichkeit gewesen, einige kurzfristige Vorteile des Quantencomputings zu erkennen, möglicherweise Jahre bevor das Ideal großer Quantencomputer mit vielen Hunderttausend Qubits erreicht wird widmet sich der Korrektur von Fehlern. Doch der Optimismus in Bezug auf NISQ scheint zu schwinden. „Die Hoffnung war, dass diese Computer lange vor der Fehlerkorrektur verwendet werden könnten, aber der Schwerpunkt verlagert sich davon“, sagt Joe Fitzsimons, CEO von Horizon Quantum Computing mit Sitz in Singapur.

Quantencomputing-Startups liegen voll im Trend, aber es ist unklar, ob sie in naher Zukunft etwas Brauchbares produzieren können.

Einige Unternehmen streben die klassische Form der Fehlerkorrektur an und nutzen einige Qubits, um Fehler in anderen zu korrigieren. Letztes Jahr haben sowohl Google Quantum AI als auch Quantinuum, ein neues Unternehmen aus Honeywell und Cambridge Quantum Computing, Papiere veröffentlicht, die zeigen, dass Qubits zu fehlerkorrigierenden Ensembles zusammengesetzt werden können, die die zugrunde liegenden physikalischen Qubits übertreffen.

Andere Teams versuchen herauszufinden, ob sie einen Weg finden können, Quantencomputer ohne so großen Aufwand „fehlertolerant“ zu machen. IBM beispielsweise hat versucht, den fehlerverursachenden Lärm in seinen Maschinen zu charakterisieren und dann so zu programmieren, dass er subtrahiert wird (ähnlich wie Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung). Es ist alles andere als ein perfektes System – der Algorithmus basiert auf einer Vorhersage des wahrscheinlich auftretenden Rauschens und nicht auf dem, was tatsächlich auftritt. Aber es leistet gute Arbeit, sagt Chow: „Wir können mit viel geringeren Ressourcenkosten einen Fehlerkorrekturcode erstellen, der eine Fehlerkorrektur in naher Zukunft ermöglicht.“

Ähnliches macht das in Maryland ansässige Unternehmen IonQ, das Quantencomputer mit gefangenen Ionen baut. „Die meisten unserer Fehler werden von uns verursacht, wenn wir an den Ionen herumstochern und Programme ausführen“, sagt Chris Monroe, Chefwissenschaftler bei IonQ. „Dieser Lärm ist erkennbar, und verschiedene Arten der Schadensbegrenzung haben es uns ermöglicht, unsere Zahlen wirklich zu steigern.“

Trotz aller Hardware-Fortschritte sind viele Forscher der Meinung, dass der Programmierung mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. „Unser Werkzeugkasten ist definitiv begrenzt im Vergleich zu dem, was wir in 10 Jahren benötigen“, sagt Michal Stechly von Zapata Computing, einem Quantensoftwareunternehmen mit Sitz in Boston.

Die Art und Weise, wie Code auf einem über die Cloud zugänglichen Quantencomputer ausgeführt wird, ist im Allgemeinen „schaltungsbasiert“, was bedeutet, dass die Daten einer bestimmten, vordefinierten Reihe von Quantenoperationen unterzogen werden, bevor eine endgültige Quantenmessung durchgeführt wird, die das Ergebnis liefert. Das sei für Algorithmenentwickler problematisch, sagt Fitzsimons. Bei herkömmlichen Programmierroutinen werden in der Regel einige Schritte wiederholt, bis die gewünschte Ausgabe erreicht ist, und dann in eine andere Unterroutine übergegangen. Beim schaltungsbasierten Quantencomputing endet die Berechnung im Allgemeinen mit dem Erhalten einer Ausgabe: Es gibt keine Möglichkeit, noch einmal zu wechseln.

Horizon Quantum Computing ist eines der Unternehmen, das Programmiertools entwickelt hat, um diese flexiblen Rechenroutinen zu ermöglichen. „Das bringt Sie in ein anderes System, was die Art der Dinge angeht, die Sie ausführen können, und wir werden im kommenden Jahr mit der Einführung des Early Access beginnen“, sagt Fitzsimons.

Auch das in Helsinki ansässige Unternehmen Algorithmiq bringt Innovationen im Programmierbereich hervor. „Wir brauchen nicht standardisierte Frameworks, um aktuelle Quantengeräte zu programmieren“, sagt CEO Sabrina Maniscalco. Algorithmiqs neu eingeführte Arzneimittelforschungsplattform Aurora kombiniert die Ergebnisse einer Quantenberechnung mit klassischen Algorithmen. Solche „hybriden“ Quantencomputer sind ein wachsender Bereich, und es wird weithin als die Art und Weise anerkannt, wie dieser Bereich langfristig funktionieren dürfte. Das Unternehmen erwartet, im Jahr 2023 einen nützlichen Quantenvorteil zu erzielen – einen Beweis dafür, dass ein Quantensystem einen klassischen Computer bei realen, relevanten Berechnungen übertreffen kann.

Auch an der politischen Front wird es wahrscheinlich zu Veränderungen kommen. Regierungsvertreter, darunter Alan Estevez, US-Unterminister für Handel und Industrie und Sicherheit, haben angedeutet, dass Handelsbeschränkungen im Zusammenhang mit Quantentechnologien kommen werden.

Tony Uttley, COO von Quantinuum, sagt, dass er im aktiven Dialog mit der US-Regierung sei, um sicherzustellen, dass dies keine negativen Auswirkungen auf die noch junge Branche habe. „Etwa 80 % unseres Systems bestehen aus Komponenten oder Subsystemen, die wir außerhalb der USA kaufen“, sagt er. „Sie zu kontrollieren hilft nicht, und wir wollen uns im Wettbewerb mit anderen Unternehmen in anderen Ländern der Welt nicht benachteiligen.“

Und es gibt viele Konkurrenten. Im vergangenen Jahr eröffnete das chinesische Suchunternehmen Baidu den Zugang zu einem 10-supraleitenden Qubit-Prozessor, der Forschern dabei helfen soll, Quantencomputer in Bereichen wie Materialdesign und pharmazeutischer Entwicklung anzuwenden. Das Unternehmen gab an, kürzlich den Entwurf eines supraleitenden Quantenchips mit 36 ​​Qubits abgeschlossen zu haben. „Baidu wird weiterhin Durchbrüche bei der Integration von Quantensoftware und -hardware erzielen und die Industrialisierung des Quantencomputings erleichtern“, sagte ein Sprecher des Unternehmens gegenüber MIT Technology Review. Auch beim Technologieriesen Alibaba arbeiten Forscher am Quantencomputing mit supraleitenden Qubits.

Die US-Regierung beginnt einen generationenlangen Kampf gegen die Bedrohung, die Computer der nächsten Generation für die Verschlüsselung darstellen.

In Japan arbeitet Fujitsu mit dem Forschungsinstitut Riken zusammen, um Unternehmen im Geschäftsjahr ab April 2023 Zugang zum ersten selbst entwickelten Quantencomputer des Landes zu ermöglichen. Er wird über 64 supraleitende Qubits verfügen. „Der Fokus wird zunächst auf Anwendungen für die Materialentwicklung, die Arzneimittelforschung und die Finanzierung liegen“, sagt Shintaro Sato, Leiter des Quantenlabors bei Fujitsu Research.

Allerdings folgt nicht jeder dem ausgetretenen Pfad der Supraleitung. Im Jahr 2020 versprach die indische Regierung, 80 Milliarden Rupien (1,12 Milliarden US-Dollar zum Zeitpunkt der Ankündigung) für Quantentechnologien auszugeben. Ein guter Teil wird in Photonik-Technologien fließen – für satellitengestützte Quantenkommunikation und für innovatives „Qudit“-Photonik-Computing.

Qudits erweitern den Datenkodierungsumfang von Qubits – sie bieten drei, vier oder mehr Dimensionen, im Gegensatz zu nur den traditionellen binären 0 und 1, ohne dass sich zwangsläufig die Fehlermöglichkeiten erhöhen. „Das ist die Art von Arbeit, die es uns ermöglichen wird, eine Nische zu schaffen, anstatt mit dem zu konkurrieren, was andernorts bereits seit mehreren Jahrzehnten geschieht“, sagt Urbasi Sinha, der das Quanteninformations- und Computerlabor am Raman Research Institute in leitet Bangalore, Indien.

Auch wenn es ernst wird und der internationale Wettbewerb groß ist, bleibt die Quantentechnologie – vorerst – weitgehend kollaborativ. „Das Schöne an diesem Bereich ist, dass der Wettbewerb hart ist, aber wir alle erkennen, dass er notwendig ist“, sagt Monroe. „Wir haben keine Nullsummenspiel-Mentalität: Es gibt verschiedene Technologien mit unterschiedlichem Reifegrad, und wir spielen im Moment alle zusammen. Irgendwann wird es eine Art Konsolidierung geben, aber noch nicht.“

Michael Brooks ist ein freiberuflicher Wissenschaftsjournalist mit Sitz in Großbritannien.

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