Wider die Mythenbildung
Was Quantencomputer können und wo sie wirklich stehen
Große Erwartungen, große Missverständnisse, aber großes Potenzial: Florian Preis von Quantum Brilliance zählt die Mythen des Quantencomputings auf, erklärt, was von ihnen wirklich zu erwarten ist, und warum er den eigenen Ansatz auf Basis von Fehlstellen in Diamanten für so vielversprechend hält.
Markt&Technik: Sie sprechen von vielen Mythen, die über das Quantencomputing im Umlauf sind und dazu führen, dass in der Öffentlichkeit ein falsches Bild darüber entsteht, was Quantencomputing ist und was Quantencomputer können. Warum ist das kontraproduktiv?
Florian Preis, VP Quantum Systems and Solutions von Quantum Brilliance: Weil sich daraus falsche Erwartungen an eine neue vielversprechende Technik ergeben, Erwartungen, die sicherlich nicht alle erfüllt werden können.
Können Sie ein Beispiel geben?
Sehr verbreitet ist immer noch die Vorstellung, dass Quantencomputer die besseren Computer seien und unsere heutigen High-Performance-Computer, kurz HPC, ablösen könnten. Allerdings sind Quantencomputer nur für ganz bestimmte Aufgaben besser geeignet als herkömmliche Computer. Deshalb sind sie nur in Zusammenarbeit mit herkömmlichen HPC vorstellbar. Sie übernehmen dann die Rechnungen, bei denen sie den herkömmlichen HPC überlegen sind, sie wirken also ähnlich wie Co-Prozessoren beziehungsweise Beschleuniger.
In welchen Aufgabenstellungen sind sie herkömmlichen HPC überlegen?
Das berührt wieder eines der vielen Mythen um das Quantencomputing. Vielen fallen da sofort einige Problemstellungen ein, die mit Quantencomputern in Sekunden lösbar sind und für die HPC Hunderttausende oder Millionen von Jahren bräuchten. Eine der üblichen heute verwendeten Verschlüsselungen zu knacken, wäre für sie in Sekunden machbar. Dazu kommen weitere Anwendungen, zum Beispiel in der Logistik wie das Problem des Travelling Salesman, in den Materialwissenschaften, in der Medikamentenherstellung oder im Finanzwesen. Aber vollständige Klarheit darüber, wofür sie sich tatsächlich eignen werden, besteht zurzeit noch nicht. Nehmen sie einmal den Handlungsreisenden: Auch ein Quantencomputer kann nicht mit Sicherheit das globale Optimum, also die beste Lösung finden. Allerdings sieht es so aus, als ob er für derartige Probleme dennoch deutlich bessere Näherungslösungen findet als herkömmliche Computer.
Gibt es nicht schon eine Reihe von Algorithmen, die für unterschiedliche Anwendungen entwickelt wurden und werden, die jeweils bestimmte Aufgabenstellungen viel schneller bewältigen könnten als HPC?
Es gibt Algorithmen wie Shor und Grover, die mit Sicherheit funktionieren. Mit Shor lassen sich theoretisch klassische Verschlüsselungen in Sekundenschnelle brechen – HPC wü rden dafür Millionen Jahre brauchen. Subroutinen und Varianten von Shor und Grover ließen sich auch auf andere Probleme anwenden, zum Beispiel in der Materialforschung. Aber so viele Algorithmen, die einen mathematisch beweisbaren Vorteil liefern, gibt es gar nicht. In der Praxis zeigen sich aber heuristische Vorteile, zum Beispiel in einer besseren Generalisierbarkeit oder Robustheit von Modellen im maschinellen Lernen.
Werden nicht schon viele Berechnungen auf Basis von Quantenalgorithmen durchgeführt?
Wir befinden uns immer noch in der Phase, in der vieles ausprobiert und erforscht wird. Da kommt es vor, dass manches zunächst so aussieht, als ließe es sich einfach umsetzen. Die Euphorie ist zunächst groß – und dann erweist sich der Weg dorthin doch als sehr steinig. Vor sieben Jahren habe ich bei IBM als Quantum Ambassador gearbeitet. Die Quantenprozessoren von IBM lassen sich mithilfe von Verfahren herstellen, die aus der Halbleiterfertigung bekannt sind. Obwohl es sicherlich schwierig würde, Millionen solcher Qubits zu realisieren, waren sich damals die meisten Experten darüber einig, dass wir schon im NISQ-Zeitalter, in dem wir uns gegenwärtig befinden, in der Lage sein würden, sinnvolle Rechnungen durchzuführen.
Was ist mit NISQ-Zeitalter gemeint?
NISQ steht für Noisy Intermediate-Scale Quantum. Das bedeutet, dass wir im Moment noch keine Fehlerkorrektur durchführen können – unabhängig davon, auf wie viele Qubits die einzelnen Systeme kommen. Denn dazu müssten logische Qubits hergestellt werden. Um ein einziges logisches Qubit zu realisieren, sind ungefähr hundert physikalische Qubits erforderlich. 2019 dachte ich noch wie viele andere, dass sich allein schon mit physikalischen Qubits Berechnungen auf Basis variationeller Algorithmen durchführen ließen, wie sie ähnlich in neuronalen Netzen ablaufen, und wir damit auf eine Genauigkeit kämen, die ausreichen würde, um sinnvolle Ergebnisse zu liefern, zum Beispiel in der Materialforschung. Es konnte aber nicht das geliefert werden, was sich viele erhofft hatten. Es gibt zwar bestimmte Algorithmen, für die noch Hoffnung besteht, deshalb läuft momentan die Suche weiter nach Algorithmen und Anwendungen, bei denen die im NISQ-Zeitalter erreichbare Genauigkeit genügt. Beispielsweise für Quanten-Machine-Learning, in denen Quantencomputer das Preprocessing von Daten übernehmen, die dann klassischen Rechnern übergeben werden. Auch in der Quantenchemie gibt es Kandidaten.
Aber die Euphorie der letzten Jahre hat sich abgekühlt?
Sie ist einem gesunden Realismus gewichen. Allgemeiner Konsens ist heute, dass ohne Quanten-Fehlerkorrekturverfahren kein bahnbrechender Quantenvorteil erzielt werden kann, weil die Fehlerraten einfach zu hoch sind. Weil das aber sehr viele, wahrscheinlich Hunderttausende von physikalischen Qubits erfordert, sind wir davon noch weit entfernt. Auf dem Weg zum sogenannten Fault Tolerant Quantum Computing wurden in den letzten zwei Jahren große Fortschritte erzielt, die diesen Zeithorizont näher rücken lassen. Im Bereich der Algorithmen wurde das Verhältnis von physischen zu logischen Qubits und die Anforderungen der Algorithmen an Quantencomputern deutlich verringert.
Das bedeutet aber trotzdem, dass wir uns heute noch keine Sorgen darüber machen müssen, dass Quantencomputer schon bald unsere Verschlüsselungsverfahren knacken könnten?
Meine Empfehlung ist auf jeden Fall, die Systeme schon heute so abzusichern, dass sie von Quantencomputern nicht geknackt werden können. Erst kürzlich hat Google den Q-Day, also den Tag, an dem man erwartet, dass Quantencomputer gängige RSA-Verschlüsselungen knacken könnten, auf 2029 vorverschoben.
Es gibt derzeit viele verschiedene Technologien, um Qubits zu realisieren, mit denen Quantencomputer rechnen. Von supraleitenden Qubits über Ionenfallen, neutralen Atomen und Stickstofffehlstellen in Diamanten bis zu photonenbasierten Systemen, um nur die bekanntesten aufzuzählen. Teilweise wurden schon Hunderte oder sogar Tausende Qubits erzeugt. Zeichnet sich eine Technik ab, die am schnellsten auf die für sinnvolles Rechnen erforderlich Zahl an Qubits kommen wird?
Die Zahl der Qubits allein sagt nichts über die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers aus. Auch die Zahl der Qubits gehört zu den Mythen. Es kommt genauso auf ihre Qualität an, wie schnell Operationen durchgeführt werden können und viele weitere Kriterien. Eine Zeit lang sah es so aus, als ob die Technologie das Rennen machen werde, die am schnellsten die meisten Qubits erreicht. Aber das ist viel zu schlicht gedacht. Jede Technologie hat ihre Vor- und Nachteile, keiner wird etwas geschenkt. Ich sehe das Technologierennen als völlig offen an, wahrscheinlich wird es auch nicht den einen Gewinner geben, sondern verschiedene Typen von Quantencomputern, die für verschiedene Aufgaben geeignet sind.
Quantum Brilliance setzt auf einen Quantenprozessor, der auf Basis von Stickstofffehlstellen in Diamanten arbeitet. Was ist das Besondere an dieser Technik?
Unser Quantenprozessor ist sehr klein und er arbeitet bei Raumtemperatur. Wir müssen ihn weder auf Millikelvin herabkühlen, wie es supraleitende Qubits erfordern, noch ein Vakuum erzeugen und hochpräzise Laser verwenden, wie etwa die Ionenfallen-QPUs. Das spart sehr viel Platz, Aufwand und Kosten. Unser Ziel ist es, unseren Quantencomputer in den üblichen Racks unterzubringen, die in HPC-Rechenzentren verwendet werden. Ich bin überzeugt, dass Quantum Brilliance auf Basis seiner Technologie den Mikrochip für das Zeitalter der Quantencomputer entwickeln kann. Das hat mich von Anfang an fasziniert.
Sie sagten, dass Quantencomputer nur in Zusammenarbeit mit HPC sinnvoll seien. Arbeitet schon ein Quantencomputer von Quantum Brilliance in einem Rechenzentrum?
Im Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF steht bereits unser Prototyp, der 19 Zoll breit und 8 HE hoch ist. Der Quantenprozessor selbst ist nicht größer als eine Grafikkarte. Insgesamt handelt es sich um ein Quantum Development Kit mit 2 Qubits, das in einen klassischen HPC integriert ist. Er wird für die Forschung genutzt, steht aber auch industriellen Partnern zur Verfügung. Seit Dezember 2021 arbeiten wir im Rahmen des »DE-Brill«-Projekts sehr eng mit dem Fraunhofer IAF zusammen. Ein Team von uns ist dort vor Ort, um die laufenden Versuche zu verbessern und einen kontinuierlichen Know-how-Transfer zu gewährleisten. Das Fraunhofer IAF entwickelt Wachstumsprozesse für Diamantsubstrate höchster Reinheit und gemeinsam mit uns Präzisionstechniken zur Fertigung skalierbarer Arrays aus Diamant-Qubits. Außerdem ist das Institut für Quantenoptik der Universität Ulm am »DE-Brill«-Projekt beteiligt, und wir entwickeln gemeinsam skalierbare Auslese- und Steuerungstechniken für diamantbasierte Qubits.
Auch wenn die Zahl der Qubits an sich wenig aussagt, zwei Qubits scheinen doch sehr wenig zu sein. Was macht Sie optimistisch, die QPUs bald skalieren zu können?
Die Herausforderung besteht darin, die NV-Zentren deterministisch in ein Diamantgitter einzubringen. Der Diamant besteht aus hochreinen C12-Atomen, die keinen Kernspin aufweisen. Es handelt sich also um ein neutrales Gitter. Die Oberfläche ist mit einer Wasserstoffschicht überzogen. Über ein lithografisches Verfahren, das wir entwickelt haben, können wir Fenster in der Wasserstoffschicht strukturieren, dort Stickstoffmoleküle einbringen und dafür sorgen, dass sie auf der Oberfläche binden. So entstehen die Stickstofffehlzentren, kurz NV-Zentren, in einem regelmäßigen Gitter. Noch in diesem Jahr wollen wir zwei solcher NV-Zentren koppeln, was wir als Durchbruch für unsere Technik ansehen. Denn danach weitere NV-Zentren zu koppeln, funktioniert nach demselben Prinzip, das wir dann beherrschen.
Warum ging das bisher nicht?
Die NV-Zentren haben sich zufällig gebildet, und wir mussten zwei Zentren finden, die nahe genug beieinanderliegen. Auf diese Weise lässt sich kein regelmäßiges Gitter herstellen.
Wie weit sind die NV-Zentren im Gitter voneinander entfernt?
Mithilfe unseres Verfahrens auf Basis eines Rastertunnelmikroskops kommen wir auf Abstände von 5 bis 10 nm.
Die QPU, die derzeit im Quantencomputer am Fraunhofer IAF arbeitet, wurde also noch auf Basis des älteren zufälligen Verfahrens gefertigt?
Ja, außerdem arbeiten die NV-Zentren auf Basis eines anderen Prinzips: Dort nutzen wir zusätzliche C13-Kerne, die einen Kernspin haben, sowie N14-Atome, die ebenfalls einen Kernspin aufweisen. Außerdem gibt es in den NV-Zentren Elektronen mit Spin -1, um die Zustände der Kernspins zu initiieren. So können wir Verschränkungen anstoßen und 2-Qubit-Operationen durchführen. Mit der neuen Variante können wir die NV-Zentren jetzt sehr nah nebeneinander setzen und ein regelmäßiges Gitter aufbauen.
Die NV-Zentren allein machen noch nicht die QPU aus, sie müssen auch angesteuert und ausgelesen werden. Wie geschieht das?
Dazu haben wir unser besonderes Photo-Electric-Read-out-Verfahren, kurz PE-Read-out, entwickelt und gezeigt, dass es funktioniert.
Was ist das Besondere daran?
Wir bringen auf den Diamanten eine Schicht auf, die Ladungen einsammelt. Regt nun ein Laser ein NV-Zentrum an, dann hängt es vom Quantenzustand ab, wie es auf die Anregung reagiert. Durch die Anregung entstehen freie Elektronen, die die Elektroden auf dem Chip auslesen können. Es sind keine aufwendigen und schwer zu justierenden Optiken mehr nötig, wir können nun direkt auf dem Chip über die Elektroden auslesen. Die Chips lassen sich deshalb viel höher integrieren, darum sind sie klein. Sie lassen sich auch viel einfacher parallel auslesen, die elektronischen Messungen sind außerdem schneller und effizienter. Wir können als Einzige das Messsystem auf den Chip bringen. Und unser Verfahren passt zur klassischen Halbleitertechnik, lässt sich also kostengünstig und weitgehend mithilfe bekannter Fertigungstechniken herstellen. Allerdings fehlt noch die Miniaturisierung, um auf 5 nm zu kommen. Daran arbeiten wir intensiv zusammen mit unseren Partnern.
Im Leibniz-Rechenzentrum in München wurde gerade der zweite Quantencomputer von IQM in Betrieb genommen, der auf 54 Qubits und perspektivisch auf 150 Qubits kommen soll. Es wird also noch einige Zeit dauern, bis Quantum Brillance in dieser Hinsicht zu den älteren Technologien aufschließen kann?
Ja, aber dann verfügen wir über eine sehr vielversprechende QPU in Chipgröße, und unsere Technologie kann ihre übrigen Vorteile voll ausspielen. Ich denke, dass wir dann sehr schnell weiter skalieren können.
Handelt es sich bei dem 2-Qubit-Quantencomputer im Fraunhofer IFA um mehr als eine reine Trockenübung?
Es ist mehr: Das Fraunhofer IAF kann jetzt Erfahrungen im Umgang mit Quantencomputern auf Basis von NV-Zentren in Diamanten sammeln und untersuchen, wie sie sich mit HPC kombinieren lassen. Das ist sehr wichtig, weil beide Technologien kombiniert werden müssen, wie ich schon sagte. In diesem Bereich ist Europa weltweit in einer führenden Position. Was am Leibniz-Rechenzentrum gemacht wird, finde ich toll. Das gibt es in dieser Form kaum noch woanders auf der Welt. Wir sind in Quantentechnologien in Europa führend und sollten sicherstellen, dass wir die großartige Forschung in kommerzielle Produkte überführen, und verhindern, dass später andere die Kommerzialisierung übernehmen.
Welche Konsequenzen hat es aus Sicht von Quantum Brilliance, dass sich die Hoffnungen nicht erfüllt haben, die auf die Fortschritte schon während des NISQ-Zeitalters gesetzt wurden?
Wir haben unsere Ausrichtung etwas verändert und wollen unsere integrierten Quantentechnologien, beispielsweise unsere Photo-Electric Read-out-Technologie, auch in Sensoren bringen, die näher vor der Kommerzialisierung stehen als gatterbasierte Quantencomputer.
Wo finden sich Anwendungen?
Unter anderem in Sensoren, die winzige Abweichungen im Magnetfeld erkennen können. In Kombination mit Beschleunigungssensoren ließen sich Systeme aufbauen, die die Position auf der Erde über die genaue Messung des Magnetfelds der Erde feststellen. Dann ließen sich Navigationssysteme aufbauen, die unabhängig von heutigen Navigationssystemen wie GPS, BeiDou und Galileo arbeiten können. Unsere Technologien werden überall dort spannend, wo es um Microsensing geht, beispielsweise Flüssigkeiten auf Bestandteile zu untersuchen, Oberflächen zu prüfen oder bei der Chipfertigung frühzeitig Probleme erkennen und gegensteuern zu können. Das ist ein wichtiger Zwischenschritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung von Quantencomputern.
Es gibt zudem den Ansatz, statt gatterbasierter Quantencomputer Quanten-Annealer zu entwickeln, die für bestimmte Aufgaben geeignet wären. Hier sind sogar schon Produkte auf dem Markt. Hat Quantum Brilliance darüber nachgedacht, auch in diesen Sektor einzusteigen?
Ja, wir könnten auf Basis unserer Technologien Quanten-Annealer entwickeln, auch hier könnte sich ein interessantes Feld auftun. Inwieweit es sich bei den auf dem Markt erhältlichen Produkten um Maschinen handelt, die tatsächlich auf Basis von Quanten-Annealing arbeiten, und welchen Anteil thermisches Annealing ausmacht, ist derzeit allerdings etwas umstritten. Wenn es überwiegend thermisches Annealing wäre und sich dennoch Fortschritte gegenüber den herkömmlichen Methoden erzielen ließen, wäre das ja auch schon sehr gut.
Es gibt auch den Ansatz, analoge Prozessoren als Beschleuniger in HPC einzusetzen. So hat Q.ANT auf Licht basierende Native Processing Units entwickelt, von denen einige bereits erfolgreich im Leibniz-Rechenzentrum arbeiten. Sehen Sie dies als einen neuen Wettbewerb an?
Diese Prozessoren führen Matrixmultiplikationen durch, das können sie sehr gut. Deshalb ist es wichtig, auch auf diesem Feld weiter zu entwickeln, die Technik ist vielversprechend und wird wohl auch früher marktreif. Für das inverse Problem, das Lösen linearer Gleichungssysteme, sind allerdings Quantencomputer besser geeignet. Deshalb sehe ich hier keinen Wettbewerb, es handelt sich eher um komplementäre Techniken.
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