Impulse für Quantencomputer Quantum Machines bringt die Qubits zum Rechnen

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Ohne Mikrowellen- oder Laser-Pulse sind die Qubits der Quantenrechner nutzlos, zumindest was das Abarbeiten von Algorithmen angeht. Entsprechende Steuer- und Ausleseeinheiten bestehen aus hochpräziser Messtechnik.

Es kann eigentlich nicht oft genug betont werden: Quantencomputer – auf welchen Quanteneffekten sie auch immer aufbauen – sind ihrer technischen Funktionsweise nach analoge Rechner, auch wenn die damit einhergehenden Begriffe, zum Beispiel Qubit und Quantengatter – etwas anderes nahe zu legen scheinen.

Das wird einmal mehr im Gespräch mit Jörn Höpfner, Scientific Business Development Manager beim israelischen Messtechnik-Spezialisten Quantum Machines, deutlich, wenn er sagt: „Im Unterschied zu klassischen Rechnern und ihrer Logik wird ja die Qubit-Logik erst wirksam, wenn die Komponenten gepulst werden, wenn sie also mit Mikrowellen- oder Laser-Impulsen präzise angesteuert werden, um sie beispielsweise auszulesen oder sie anderweitig zu beeinflussen.

Echtzeit-Mess- und Steuereinheit für Quantenrechner

Quantum Machines hat sich in seinem Messtechnik-Angebot darauf spezialisiert, die entsprechenden Impulse für Quantenrechner zu generieren, die letztere überhaupt erst sinnvoll verwendbar machen. „Ein Quantencomputer ohne unsere oder eine ähnliche Technologie wäre in etwa so, als würde man im klassischen Bereich den Rechner nach jeder Befehlseingabe neu booten müssen, beschreibt Höpfner mit einer Analogie die besondere Funktion des Qubit-Control-Systems von Quantum Machines, bevor er dann in die technischen Details geht.

„Quantum Machines hat für diese Funktion eine spezielle Hardware entwickelt, die ganz auf den Bedarf des Quantencomputings zugeschnitten ist“, erklärt er. Als der Autor dieser Zeilen den Begriff Arbiträrgenerator für diese spezielle Hardware ins Gespräch bringt, reagiert Höpfner reserviert und stellt fest: „Ich verwende diesen Begriff in Bezug auf unser System nicht, weil das System von Quantum Machines die Signale live auf Basis von Instruktionen erzeugt und nicht wie klassische AWGs durch Vorausberechnung sowie Laden und Auslesen eines Speichers.“

Im Gegensatz dazu erzeuge das System von Quantum Machines die Signale in Echtzeit und die Signale seien ihrerseits durch die bereits interpretierten Werte der Ausleseeinheit beeinflussbar. Das sei mit einem herkömmlichen Arbiträrgenerator nicht möglich.

Außerdem habe das System von Quantum Machines derzeit zehn (statt der bei normalen AWGs üblichen zwei) Kanäle und darüber hinaus eine Reaktionszeit von 200 Nanosekunden. Derartige Reaktionszeiten seien notwendig, um die Stabilität der Qubits, die nur für sehr kurze Zeit aufrechterhalten werden kann („Kohärenzzeit“), für das Computing ausnutzen zu können.

18 Messungen parallel und in Echtzeit

„In der speziellen Hardware von Quantum Machines werden die Signale („Pulse“) über einen Puls-Prozessor, der auf einem speziell für diese Anwendungen programmierten FPGA basiert, erzeugt", erläutert Höpfner und fährt fort. „Diese Pulse sorgen dann dafür, dass die Komponenten im Quantenrechner die gewünschten Algorithmen ausführen.“

Konkret setzt Quantum Machines in seinem System einen FPGA-Baustein aus der „Virtex“-Reihe der Firma Xilinx ein, der laut Höpfner einen höheren fünfstelligen Euro-Betrag kostet. Mit dem Multi-Core-Prozessor können 18 Messungen parallel und in Echtzeit durchgeführt werden und die Schaltkreise sind – wie oben schon beschrieben - vorprogrammiert, sodass den Quanten-Informatikern „mehrere Monate Arbeit“ abgenommen wird, schätzt Jörn Höpfner.

„Vorprogrammiert“ bedeutet in diesem Fall, dass ein umfangreicher und speziell für Quantenoperationen optimierter Befehlssatz in einer Intuitiven Programmierumgebung vorhanden ist, mit dem sich in kurzer Zeit auch komplexe Algorithmen umsetzen lassen.

Die letzte digitale Stufe, bevor es in die Qubit-Welt geht

„Unser System stellt so zusagen die letzte digitale Stufe dar, bevor es dann in die analoge Welt der Qubits geht“, sagt Jörn Höpfner. Grundsätzlich seien die Systeme von Quantum Machines auf viele unterschiedliche Quantenrechner- Technologien ausgelegt, was sie im Prinzip breit einsetzbar mache. Diese Flexibilität sei speziell in Deutschland ein besonderes Plus, weil hierzulande besonders viele verschiedene Technologien erforscht und angewandt würden.

Besagte Flexibilität sei aber auch eine große technologische Herausforderung; denn die verschiedenen Qantencomputer-Technologien erforderten teilweise völlig verschiedene Antwortzeiten, da die jeweils dabei verwendeten Qubits unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten aufwiesen. So spielten beispielsweise bei manchen der heute angebotenen photonenbasierten QPUs thermische Veränderungen eine große Rolle, die indes eine langsame Größe darstellten. Mit Quantenrechnern auf dieser QPU-Basis erhalte man daher unter Umständen zwar viele Qubits, die man aber „nur langsam verwalten“ könne.

Softwareseitig stellt Quantum Machines die in Python eingebettete Open Source Programmiersprache „QUA“ auf Puls-Ebene und einen für den Puls-Prozessor abgestimmten Compiler zur Verfügung. Außerdem werden Werkzeuge zur automatischen Übersetzung aus der verbreiteten Gate-Level Sprache „OpenQasem 3.0“ in QUA angeboten.

Quantencomputer ziehen ins Rechenzentrum ein

Rechenzentren und Forschungseinrichtungen weltweit, angeführt von Pionieren wie dem Leibniz Rechenzentrum (LRZ), tüfteln fieberhaft an der Integration von Quantenprozessoren mit klassischen Systemen. Ein wahrer Goldrausch um den Quantenvorteil und die Quantenüberlegenheit ist ausgebrochen.

Es ist unser erstes eBook (Mai 2023) zum Quantencomputing überhaupt und die Inhalte sind spannend. Laura Schulz, Leiterin der Abteilung Quantum Computing und Technologien am LRZ, liefert zum Beispiel Einblicke in die Praxis und in den Stand der Forschung. Ihre Expertise wird zum roten Faden durch die verschiedenen Aspekte der Integration von klassischer IT und den Quantencomputern.

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Darüber hinaus entwickelt man auch Software zur Anbindung von Quantencomputing-Hardware an klassische HPC-Systeme. In diesem Zusammenhang erwähnt der Interviewpartner ganz besonders eine Partnerschaft von Quantum Machines mit Nvidia, um gemeinsam eine Schnittstelle zu einem Echtzeit-Controller auf Basis der Next Gen GPU mit besonders niedrigen Latenzzeiten zu entwickeln. Angestrebt werden dabei Datenaustauschzeiten von unter 1 Mikrosekunde.

Zum Thema „Verbindung HPC-QC“ gehöre überdies auch die Fehlerkorrektur von Quantenrechnern durch Verfahren, die auf klassischen Rechnern laufen, führt Höpfner aus. Die Zusammenarbeit mit Nvidia „DGX Quantum“ umfasse zu diesem Zweck daher neben dem Interface auch die Anbindung der Programmierung mittels „CUDA Quantum“.

Noch mehr Kanäle und Frequenzen

In nächster Zukunft stehen bei den Quantum Machines-Entwicklern die stetige Erhöhung der Integration der einzelnen Messkomponenten sowie von Hardware und Software im Fokus. Darüber hinaus geht es um noch mehr Kanäle und Frequenzen sowie eine größere Kanaldichte.

Natürlich könne man die Messtechnik rund um einen Quantenrechner auch in Eigenregie machen, sagt Höpfner, und das machten ja auch einige Player im Quantencomputing, aber viele andere, so auch viele technologisch ambitionierte Unternehmen aus dem Quantencomputing-Bereich, setzten nichtsdestotrotz auf die Expertise von Quantum Machines oder einen der wenigen Mitbewerber in diesem Spezialbereich des Quantencomputing.

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