Quantum auf der ISC High Performance 2025 Die Quantencomputer kommen - in großer Vielfalt

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Auf der diesjährigen Veranstaltung „ISC High Performance“ waren etwa zwei Handvoll Quantencomputing-Anbieter mit Produkten vertreten. Die Technologie scheint das Experimentierstadium langsam zu verlassen. Ein Blick auf die gezeigten Varianten und ihre Hersteller.

Wer an der Realisierbarkeit von Quantencomputing und seiner wirtschaftlichen Umsetzbarkeit vielleicht noch Zweifel hegte, kann diese getrost zur Seite räumen. Im Hochleistungsrechnen geht man anscheinend längst davon aus, dass die Technologie kommt, und zwar bald - oder schon da ist. Denn die meisten der Aussteller, die auf der ISC High Performance 2025 antraten, konnten auf installierte Systeme oder fertige Verträge für geplante Installationen verweisen.

Dabei werden die Quantensysteme in der Regel anderen Rechenanlagen beigestellt. Denn die Rechentechnologie eignet sich für sehr spezielle Aufgaben, bei denen digitale Rechner an ihre Grenzen stoßen. Gerade Quantensysteme liefern hier Resultate - freilich nicht mit derselben unumstößlichen Gewissheit wie die bisherigen digitalen Rechenverfahren. Das Ergebnis einer Quantenkalkulation ist immer eine Wahrscheinlichkeit - natürlich eine möglichst hohe.

Keine Hochsprache zum Programmieren

IT-Spezialisten beklagen, dass es derzeit noch keine echte Programmiersprache für Quantenrechner gibt. Das, was man bei Digitalrechnern als Programm bezeichnet, sieht bei Quantenrechnen eher aus wie der Schaltplan eines elektrischen Geräts.

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Hier werden möglichst bald Compiler und anderes Werkzeug benötigt, um das Ganze handhabbarer zu machen. Die Branche beteuert, man sei an der Arbeit.

Zwei weitere Probleme sind die Zuverlässigkeit der Berechnungen und die Dauerhaftigkeit der Qubits. Um Unzuverlässigkeiten einzelner Qubits auszubügeln, werden sie in Gruppen, so genannten logischen Qubits, zusammengefasst, die Ungenauigkeiten einzelner Qubits sozusagen ausbügeln.

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Je weniger Qubits man braucht, um ein logisches Qbit zu bilden, desto günstiger. Und je stabiler jedes einzelne der auf fragilen physikalischen Zuständen basierenden Qubits, desto besser für die praktische Nutzbarkeit von Systemen.

Viele relative Neulinge

Im Folgenden ein Blick gerade auf die unbekannteren Anbieter, die auf der ISC präsentierten. Quandela erzeugt seine Qubits aus Photonen, mithin aus Licht. Dabei verwendet man so genannte Quantum-Dots. Das sind winzige Kristalle im Nanometer-Maßstab, die, wenn sie auf die richtige Weise mit Laserlicht aktiviert werden, Photonen abgeben.

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Die Photonen werden sodann über einen Zylinder aus Spiegeln auf eine Glasfaser geleitet, die den Weitertransport übernimmt. Hier, so ein Firmenvertreter, liege die Herausforderung: Es gelte, die Photonen so lange wie möglich vor dem Verlorengehen zu bewahren. Dafür erzeugen die Systeme von Quandela im Moment alle 12 Nanosekunden ein Photon. Jedes gleicht seinem Vorgänger aufs Haar.

Die Photonen werden dann per Glasfaser in einen Chip geleitet und dort mittels optischer Elemente wie Phasenschieber oder Strahlteiler manipuliert. DIe genaue Beschreibung dieser Manipulationen ist der Algorithmus. An den Ausgängen werden die dort austretenden Photonen gemessen. Die volle Strecke von Erzeugung bis Ausgang schaffen derzeit rund acht Prozent der Photonen. Am Jahresende sollen es bereits 25 Prozent sein. Ziel sind aber 90 Prozent.

Quandela: Vier Systeme

Quandela gibt es seit 2017. Die Firma erreicht derzeit erst relativ kleine Qbit-Zahlen. Ziel ist aber, bis in den Millionenbereich zu skalieren - das sei, so die Grundlagen gelegt sind, einfach, da der Hersteller nur Standard-Bauelemente verwendet.

Vier Systeme sind bereits im Markt: An den Provider OVHcloud wurde ein 2-Qbit-System als Zufallszahlengenerator verkauft. Im eigenen Haus arbeitet ein 12-Qbit-System, das als Cloud Service angeboten wird. Das nationale Rechenzentrum Quebec, Kanada, hat ein System mit 12 Qubits und die europäische Initiative für Hochleistungsrechnen erhält im Oktober ein System mit ebenfalls 12 Qubits.

Quix: Ringresonator statt Quantum Dot

Bei Quix Quantum Computing erzeugt man die Photonen des eigenen optischen Quantenrechners mit Laserbestrahlung eines Ringresonators. Die Chips, die die Photonen manipulieren, haben hier 52 Ein- und Ausgänge. Qubits entstehen, wenn mehrere in mehreren Schichten befindliche Photonen in einem so genannten Cluster State, der durch die Manipulationen im Chip induziert wird, miteinander interagieren. Die hohe Kunst dieser Technologie besteht darin, diese Schichten zu generieren.

Quix, 1919 in den Niederlanden gegründet und mit Sitz in Stuttgart, hat bereits ein 12-Qbit-System an das National Quantum Computer Center in Harwell verkauft. Auch das Deutsche Institut für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart hat bestellt - ein universelles Quantencomputersystem mit 64 Qbit. Es soll 2027 vollständig in Betrieb gehen.

IQM: Extrem schnelles Schalten

Wie der derzeitige Marktführer IBM erzeugt auch IQM, eine finnische Firma mit Niederlassung in München, seine Qubits im Quantencomputer „Radiant“ mittels Supraleitung. Dabei werden an Supraleiter elektrische Felder angelegt, was Verschränkungen induziert.

Die so entstehenden Quantengatter haben eine extrem schnelle Schaltzeug von nur 40 Nanosekunden, während die Überlagerungen 50 bis einige Hundert Millisekunden bestehen bleiben.Zeit genug also, um zu rechnen.

Derzeit kann IQM, das mit HPE zusammenarbeitet, etwa 150 Qubits erzeugen, die sechs bis sieben logischen Bits bilden. Ziel ist auch hier der Millionenbereich. Für 20 Qubits werden 16 Kilowatt Elektrizität gebraucht. Weltweit sind etwa zehn IQM-Quantencomputer installiert.

Qubits mit Ionen

Eine weitere Methode, sich mit den dringend benötigten Qubits auszurüsten, sind so genannte "trapped Ions". Das sind Atome mit einer Ladung. Bei Qudora, einem Quanten-Startup aus Braunschweig, werden sie erzeugt, indem ein Laser in einem Vakuum Material verdampft. Wenn die neutralen Atome als Dampf schweben, werden sie von einem Laser ionisiert.

Die erzeugten Ionen repräsentieren die Qubits. Sie werden durch Mikrowellen mittels eines NFQC (Nearfield Qubit Controller) gezielt gesteuert und manipuliert. Dieses Verfahren braucht weniger Platz als Laser. Zudem sind die Prozesse mit "gefangenen Ionen" besonders stabil, was zuverlässigere Resultate bedeutet.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat bei Qudora ein System mit 50 Qubits, die sich zu zwei logischen Qubits zusammenfassen lassen, bestellt. Es soll Anfang 2027 in Hamburg den Betrieb aufnehmen.

Ionq kooperiert mit AWS und Nvidia

Auch Ionq arbeitet mit Ionenfallen. Das Unternehmen gibt es seit 2010. Derzeit ist man schon bei der vierten Hardwaregeneration. Außerdem ist die Firma, die bereits 1.000 Beschäftigte hat, seit 2021 an der Börse. Die Quantengates und damit die Kontrolle der Qubits werden derzeit mit Laser betrieben.

Das, so Coleman Collins, Head of Marketing der Firma, sei aber nicht der optimale Weg. Deshalb hat man nun die Absicht verkündet, den kleineren Konkurrenten Oxford Ionic aufzukaufen.

Der verwendet zum selben Zweck ein so genannte Quantum Charge Coupled Device (QCCD). Diese Syssteme speichern die Quanteninformationen als internen Status der Ionen, die mittels dynamischer elektromagnetischer Felder zwischen verschiedenen Verarbeitungszonen hin und her geschoben werden. Man hat derzeit Systeme mit 36 Qubits in Produktion. Ionq setzt auf Zusammenarbeit mit AWS und Nvidia, um einen übergreifenden Quanten-HPC-Workflow zu realisieren.

Quantinuum: 96 Qubits ante portas

Nach demselben Verfahren arbeitet Quantinuum, eine Ausgründung von Honeywell aus dem Jahr 2021 mit 550 Beschäftigten. Sitz der FIrma sind die USA, ein weiteres Standbein befindet sich in Großbritannien.

Derzeit sind vier Maschinen installiert. Eine mit 20 Qubits befindetr sich im japanischen Höchstleistungsrechenzentrum Riken. Zwei 56-Qbit-Maschinen besitzt Quantinuum selbst. Und im Herbst 2025 soll die nächste Maschinengeneration, Helios, mit 96 Qubits, fertig sein.

Planq: Es müssen nicht immer Ionen sein

Planq aus Garching ist mit Gründungsdatum 2023 das jüngste der hier beschriebenen Unternehmen. Standort ist Garching. DIe 83 Beschäftigten wollen ihren ersten Computer mit immerhin 100 Qubits 2026 fertigstellen.

Anders als die bisher beschriebenen Player verwendet Planq neutrale Atome, beispielsweise Ytterbium. Begründung: Neutrale Atome ermöglichten das Entstehen von mehr Qubits, weil zwischen den Atomen keine Abstoßung besteht.

Positioniert werden die einzenen Atome hier durch Laserstrahlen, wobei sie in der Nähe der Stelle der stärksten Fokussierung des Lasers stehenbleiben. Durch elektrische Anregung geraten sie in einen Zustand, in dem sie sich verschränken. Die Ergebnisse von Quantenberechnungen werden wiederum mit einem Laser ausgelesen.

Fazit

Ob Ionen, Supraleitung, neutrale Atome oder Photonen: Der Quanten-Zug scheint nicht mehr aufzuhalten. Die Frage ist nur noch: Wie schnell werden wie viele Qubits realisiert und wann werden einfacher verständliche Programmiersprachen verfügbar? Dann kann der Aufbruch in eine neue Computerwelt, die die bisherige ergänzt, endgültig losgehen.

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