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QPUs von der Stange sind nicht für jedermann Was ist eine Quantum Processing Unit (QPU)?

Von M.A. Jürgen Höfling

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In Anspielung auf gängige Begriffe der klassischen (binären) Rechentechnik spricht man im Quantencomputing von Quanten-Bits (Qubits) und Quantum Processing Units (QPUs). Entsprechende Vergleiche mit den Komponenten der klassischen IT sind freilich mit Vorsicht zu genießen.

Vorkonfigurierte 25-Qubit-QPU von Quantware
Vorkonfigurierte 25-Qubit-QPU von Quantware
(Bild: Quantware)

Die Begriffe und ihre Abkürzungen suggerieren eine innige Verwandtschaft: CPU = Central Processing Unit, GPU = Graphics Processing Unit, DPU = Digital Processing Unit, QPU = Quantum Processor Unit. Was den zuletzt genannten Begriff betrifft, also die QPU, ist indes sehr viel Analogie im Spiel. Analogie im doppelten Sinn; denn im Wesen ist der Quantencomputer, auf den die QPU als rechentechnische Basiseinheit referiert, ein analoges Gebilde, das man freilich digital rekonstruieren kann.

Basis der QPU sind die Qubits

Wenn man die QPU digital rekonstruiert, dann konstruiert man eine Gatterarchitektur, wie man sie von klassischen digitalen Rechnern her seit einem Dreiviertjahrhundert kennt. Diese Quantengatter sind das physikalische Umfeld, um die Quantenbits (Qubits) in den jeweils gewünschten Zustand versetzen zu können oder anders ausgedrückt: um mit den Qubits rechnen zu können.

Tatsächlich handelt es sich bei Qubits und Quantengattern aber nicht um eindeutig definierte physikalische Zustände wie das bei Bits und Logikgattern in der traditionellen Mikroelektronik der Fall ist, sondern um Zustände, die den (wahrscheinlichkeitstheoretisch definierten) Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik unterworfen sind.

Quantencomputing, das sind einerseits Theoreme und Rechenregeln der linearen Algebra und andererseits heikle Messvorgänge, die im Zuge der Rechenvorgänge ständig durchgeführt und interpretiert werden müssen. Deshalb sprachen wir eben auch von einer digitalen Rekonstruktion, denn „natürlich digital“ - falls es das überhaupt gibt - ist in diesem Kontext gar nichts.

QPUs sind Qubits mit „manipulierbarer“ Wellengleichung

Eine Quanten-Prozessor-Einheit, also die QPU, ist zum einen eine Ansammlung von quantenphysikalischen Zuständen, den Qubits. Die werden durch die Schrödingersche Wellenfunktion wahrscheinlichkeitstheoretisch beschrieben. Zusammen mit physikalischen Komponenten, die die Wellenfunktion des jeweiligen Quantensystems steuern können – das kann zum Beispiel ein Laser sein – bilden die Qubits dann eine QPU, mit der „gerechnet“ werden kann.

Ein großes Problem beim gezielten Steuern der Wellenfunktion der Qubits, sprich beim Rechnen mit der QPU, ergibt sich daraus, dass die Zustandspräparierung des jeweils genutzten quantenphysikalischen Systems (Anfangszustand stabil halten, gezielte Energieniveau-Änderung, Auslesen etc.) ein Rauschen erzeugt, das die Rechenergebnisse unbrauchbar machen kann. In einem solchen Fall ist die QPU das Geld nicht wert, das sie gekostet hat. Die Herstellung wenig oder gar nicht verrauschter Qubits und Quantengatter ist deshalb eine zentrale Aufgabe bei der Herstellung von QPUs.

Alle Forschungsinstitutionen und IT-Unternehmen, die sich mit Quantencomputerkonzepten beschäftigen bauen ihre ganz spezifischen QPUs, sei es, dass die Qubits quantenphysikalisch als elektrische Schwingungen in einem Supraleiter, als Fehlstellen in einem Diamanten oder als gefangene Ionen realisiert werden, um nur einige (wenige) Konstrukte zu nennen, mit denen heute experimentiert wird. Eine eigene Welt sind die Qubits der adiabatischen Quantenrechner (siehe: unten).

QPU „von der Stange“?

Wer mit QPUs rechnerisch Erfahrungen sammeln will, muss diese nicht unbedingt selbst bauen. Er oder sie sollten aber prinzipiell verstehen, was in ihrem Innern abläuft und wo eventuelle Stolperschwellen ins „rechentechnische Paradies“ zu erwarten sind (siehe: oben). Erfahrungen mit QPUs lässt sich zum einen durch Cloud-Angebote der großen Cloud-Anbieter sammeln, die allesamt auch QPU-Rechnen anbieten oder auch europäischen Start-ups wie Terra Quantum.

Mutigere beziehungsweise Fortgeschrittene in Sachen Quantencomputing können es auch mit den vorkonfigurierten QPUs der niederländischen Firma Quantware versuchen. Quantware ist ein Spin-of-der Delfter Universität und bietet mit dem Produkt „Contralto“ einen 25-Qubit-QPU-Chip 'von der Stange' an.

Die Zitatzeichen in „von der Stange“ sind ernst zu nehmen. Zwar wird der Contralto-Chip in einer Standardverpackung geliefert, wie sie für die Verbindung mit heutigen Quantencomputern notwendig ist, man sollte den QPU-Chip aber tunlichst nicht stante pede, ohne Kenntnisse der speziellen Struktureigenschaften von Qubits, auf eine Leiterplatte löten. Eine QPU folgt eben einer anderen Logik als Standardprozessoren. Auch benötigt die QPU eine geeignete Kühleinheit.

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Das Allerwichtigste ist allerdings folgendes: die Steuerungslogik für die oben erwähnte Manipulation der quantenmechanischen Wellengleichung sowie die Messungen der Qubit-Zustände sind NICHT Teil des QPU-Chips. Letzteres ist aber alles andere als trivial. Der Delfter QPU-Chip ist daher eine durchaus wichtige Hilfe bei der Entwicklung von Quantencomputing-Anwendungen, aber nur für diejenigen, die wissen, was sie vor sich haben. und vor allem auch wissen, was sie nicht vor sich haben.

Quanten-Software im Kommen

Neben den QPU-Komponenten auf Gatterbasis gibt es auch völlig andere Ansätze, zum Beispiel die QPUs im adiabatischen Quantenrechner der Firma D-Wave. In den QPUs von D-Wave repräsentiert jedes darin enthaltene Qubit eine Variable. Zusätzlich gibt es gewichtete Verbindungen („Koppler“) zwischen den Qubits, welche in speziellen Gitterstrukturen angeordnet sind, die sich Chimera-Graph, Pegasus-Graph und Zephyr-Graph nennen. Technisch umgesetzt sind die QPUs in Form integrierter supraleitender Schaltkreise. Bei dem adiabatischen Quantenrechner (Quanten-Annealer) der Firma Fujitsu werden übrigens die Qubit-Verbindungen durch digitale Schaltkreise realisiert.

Wie in der klassischen Computerei geht auch die Entwicklung im Quantencomputing dahin, die physikalische Basis des Rechnens durch immaterielle 'weiche Ware' zu kaschieren. Ein Quanten-Assembler ist dabei ein erster Schritt. Wer beispielsweise die oben angesprochenen Cloud-Strukturen eines Quantencomputers nutzen will, kommuniziert in solch einem Assembler mit der verfügbaren Quantenrechnerkapazität in der Cloud. Auch gibt es recht komfortable Quantenrechner-Bibliotheken, beispielsweise bei der ebenfalls oben genannten Firma Terra Quantum.

Inwieweit die bis dato existierenden Quanten-Software-Ansätze auf die verschiedenen technischen QPU-Konzepte universell anwendbar sind beziehungsweise anwendbar gemacht werden können, ist eine offene Frage.

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