HF-Controller für Spin-Qubits Quantencomputer kommen der Realität näher

Stefano Pellerano, Principal Engineer an den Intel Labs, hält den »Horse Ridge« in seinen Händen. Der Controller-Chip arbeitet bei 4 K und ist laut Intel ein Durchbruch auf dem Weg zu skalierbaren und wirtschaftlich sinnvollen Quantencomputern, die ihr theoretisch vorhandenes Potenzial in der Praxis ausspielen können.
Stefano Pellerano, Principal Engineer an den Intel Labs, hält den »Horse Ridge« in seinen Händen. Der Controller-Chip arbeitet bei 4 K und ist laut Intel ein Durchbruch auf dem Weg zu skalierbaren und wirtschaftlich sinnvollen Quantencomputern, die ihr theoretisch vorhandenes Potenzial in der Praxis ausspielen können.

Der »Horse Ridge«-Controller von Intel bringt Quantencomputer einen wichtigen Schritt näher in Richtung kommerzielle Anwendungen.

Dabei handelt es sich um einen konventionellen Chip, der auf Basis der 22-nm-FinFET-Technik gefertigt wurde. Intel hat ihn auf den Namen »Horse Ridge« getauft, einem der kältesten Orte Oregons. Denn Quantencomputer fühlen sich nur bei tiefsten Temperaturen wohl.

Mit dem neuen Control-IC will das Unternehmen die Entwicklung, das Design und den Test von wirtschaftlich sinnvollen Systemen auf Basis von Quantencomputern ermöglichen und sie aus den Forschungslaboren in realitätsnähere Gefilde führen.

»Bisher haben sich die Forscher vor allem um die Qubits selber gekümmert, wobei es vor allem darum geht, so viele Qubits wie möglich über einen längeren Zeitraum im verschränkten Zustand zu belassen. Konventionelle Controller für Quantencomputer spielen aber eine ebenso große Rolle, um skalierbare Quantencomputer zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten aufbauen zu können«, sagt Jim Clarke, Director of Quantum Hardware von Intel. Sie sind beispielsweise für die Error-Correction zuständig. »Bisher wurde nicht genügend Augenmerk auf den Steuer- und Interconnect-Teil eines Quantencomputers gerichtet. Heute wird immer noch jedes Qubit einzeln angesteuert. Mit dieser Brute-Force-Methode wird sich kein skalierbares System aufbauen lassen, das aus den vielen Qubits besteht, die ein Quantencomputer benötigt, um in der Realität Anwendung finden zu können. «

Weil sich die Qubits einem verschränkten Zustand befinden, können auf ihrer Basis bestimmte Berechnungen sehr schnell durchgeführt werden – viel schneller als in herkömmlichen Computern. Dazu müssen die QBits aber auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt – im Bereich von Milli-Kelvin – herabgekühlt und von der Außenwelt isoliert werden. Quantencomputer ähneln deshalb von außen eher Kühlschränken.

Denn jede noch so kleine Interaktion mit der Außenwelt lässt den verschränkten Zustand zusammen brechen. Die Qubits in diesem gekoppelten, aus vielen Überlagerungen bestehenden Zustand eine genügend lange Zeit verharren zu lassen, um überhaupt Berechnungen durchführen zu können, war lange Zeit eine große Hürde. Ein Teil der Probleme konnte schon gelöst werden, trotzdem sind die Quantencomputer noch weit davon entfernt, in der Realität Einsatz zu finden. Bisher gelang es nur, relativ wenige Qubits über einen für die Berechnungen sinnvollen Zeitraum im Überlagerungszustand zu halten. Inwieweit die theoretisch vorhandene riesige Rechenleistung tatsächlich auf Alltagsprobleme sinnvoll angewendet werden kann, ist immer noch eine offene Frage. Probleme in ausreichender Zahl wären vorhanden: Die Entwicklung von Medikamenten, Optimierungen in der Logistik, die Entwicklung von neuen Materialien, etwa für Batterien, die Vorhersage von Naturkatastrophen, um nur einige zu nennen.

Quantencomputer können allerdings nur ganz bestimmte Berechnungen schnell durchführen – eben solche, wo es von Vorteil ist, sehr viele Überlagerungszustände parallel verarbeiten zu können. Darin sind sie konventionellen Computern bei weitem überlegen, sie arbeiten solche Aufgaben um viele Größenordnungen schneller ab als herkömmliche Supercomputer. Für andere Aufgaben, die herkömmliche Supercomputer sehr gut erledigen, eignen sich Quantencomputer hingegen gar nicht. Deshalb liegt der Gedanke nahe,  hybride Systeme aufzubauen, in denen das Quantencomputing nur die Teile einer komplexen Aufgabe übernimmt, für die es geeignet ist. Der Quantencomputer fungiert sozusagen als Hardware-Beschleuniger. Diesen Weg geht beispielsweise Christian Kokail von der Universität Innsbruck, in dem ein Quantensimulator mit einem Computer verbunden wird, der die Programmierung des Quantensimulators übernimmt.    

Intel dagegen möchte die Kontrolleinheit in den Quantencomputer bringen: Mit »Horse Ridge« sei es gelungen, die Komplexität der für die Steuerung  eines Quantencomputers zuständigen Steuerschaltungen – bisher auf viele größere Geräte verteilt – auf einem einzigen IC zu integrieren. Was Intel als einen Durchbruch feiert: Denn dieser IC lässt sich nun nahe dem tiefgekühlten Herz des Quantencomputers einbauen, dort wo sich die Qubits befinden. Die vielen hundert Kabel, über die tiefgekühlte Quantencomputer bisher mit den außerhalb des Kühlschranks aufgestellten Steuereinheiten verbunden sind, können damit entfallen.

Die Kontrolleinheit im Herzen des Quantencomputers

Beim »Horse Ridge« handelt es sich im Grunde um einen HF-Prozessor, der darauf optimiert wurde, die HF-Pulse zu erzeugen – bei einer Temperatur von 4 K. Über die HF-Pulse lassen sich die Qubits manipulieren. Der »Horse Ridge« ist mit den Befehlen ausgestattet, auf deren Basis sie dann die gewünschten Berechnungen ausführen.  

Nun sind 4 K gegenüber der Temperatur, auf die die Qubits herabgekühlt werden müssen, immer noch recht heiß. Doch Intel hat ein Qubit-System entwickelt, das auf Basis von sogenannten Spin-Qubits arbeitet. Für sie reicht bereits eine Temperatur von 1 K aus. Damit ließen sich solche Quantencomputer schon erheblich einfacher kühlen, als die die nur einige Tausendstel Grad oberhalb des absoluten Nullpunktes funktionieren.

Intel hat sich zum Ziel gesetzt, den Controller und die Qubits selber auf eine gemeinsame Temperatur kühlen zu können. Dann ließen sich Qubits und die Controller-Einheit in einem einzigen Gehäuse integrieren. Weil Intel auf das bereits vorhandene Wissen im Bereich des Advanced Packaging und der Interconnect-Techniken aufbauen könne, ließe sich dieses Ziel in absehbarer Zeit erreichen.

Auf dem Weg zu 1 Mio. Qubits

Auf der CES 2018 hatte Intel den Test-Chip »Tangle Lake« (eine Seenkette in Alaska, auch sehr kalt) vorgestellt, über den sich ebenfalls untersuchen lässt, inwieweit sich verschränkte Qubits für Rechenaufgaben heranziehen und wie sich Fehlerkorrekturen effizient durchführen lassen.  Er eignet sich für die Steuerung von 49 Qubits. Allerdings ist er für Qubits auf Basis der Supraleitung ausgelegt. Mit den Spin-Qubits, für den der neue  »Horse Ridge« ausgelegt ist, verfolgt Intel einen weiteren Weg zum umfassenden Quantencomputing – von der Architektur über die Hardware bis zu den Algorithmen und der Steuerelektronik. Die Spin-Qubits lassen sich in Silizium realisieren und sind sehr viel kleiner als die supraleitenden Qubits. Ein Spin-Qubit gleicht einem herkömmlichen Transistor und Intel hat bereits einen Prozess entwickelt, auf dessen Basis sich Spin-Qubits auf 300-mm-Wafern fertigen lassen.

Allerdings hat Intel im vergangenen Jahr auch darauf hingewiesen, wie weit ein System von 49 Qubits noch von in der  Realität interessanten Anwendungen entfernt sind, wie Mike Mayberry, Corporate Vice President und Managing Director der Intel Labs, damals formulierte: »Es wird noch fünf bis sieben Jahre dauern, bevor die Probleme auf der Ingenieursebene angegangen werden können und es werden mindestens 1 Million Qubits benötigt, um kommerziell relevant werden zu können.«