Neuer Rekord bei Quantencomputern: Start-up meldet Quantenchip mit 256 Qubits

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Ein Super-Mario-GIF aus Qubits – wer hätte gedacht, dass so die Killer-Anwendung für das Rechnen mit Quanten aussehen könnte? Dahinter stecken Physiker aus Harvard und vom MIT. Auch Designs von Space Invaders, Tetris oder in jeder anderer Form sind möglich – die Qubits geben den geometrischen Wunsch vor.

Die GIFs stammen von QuEra Computing, einem Bostoner Start-up, das gewissermaßen aus dem "Stealth-Modus" aufgetaucht ist. Damit will das Unternehmen die Programmierbarkeit seines Quantensimulators mit 256 Qubits demonstrieren.

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Die QuEra-Maschine ist die jüngste Erfolgsmeldung in der Quanteninformatik und ein weiterer Schritt, um Quantencomputer für die Lösung praktischer Probleme fit zu machen. Mehr Qubits bedeuten, dass mehr Informationen gespeichert und verarbeitet werden können. Und ständig legen Forscher in dieser Technologie die Messlatte immer höher.

Quantencomputer: Was bisher geschah

Im Jahr 2019 gab Google bekannt, dass seine 53-Qubit-Maschine die Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy – der Begriff beschreibt den Punkt, an dem Quantencomputer Aufgaben berechnen können, die klassische Computer nicht mehr berechnen können) erlangt hat. IBM bestritt diese Behauptung und legte noch im selben Jahr stellte IBM seinen 53-Bit-Quantencomputer vor. Erst vor kurzem präsentierte IBM dann seinen neuen 127-Qubit-Quantenprozessor aus der Eagle-Generation und überschritt damit zum ersten Mal die Marke von 100 Qubits.

Allerdings ist die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern mit unterschiedlicher Architektur sehr schwer miteinander zu vergleichen. 2020 stellte IonQ ein 32-Qubit-System vor, das nach Angaben des Unternehmens der "leistungsstärkste Quantencomputer der Welt" ist, denn das Unternehmen setzt auf Ionenfallen für die Qubits, die im Vergleich zu den supraleitenden Qubits stabiler und bei Rechenoperationen weniger fehleranfällig sind – allerdings sind die Berechnungen damit langsamer.

Nun tritt QuEra auf den Plan, und behauptet, ein Gerät mit weitaus mehr Qubits gebaut zu haben als alle anderen Konkurrenten. Allerdings nennt das Start-up seine Maschine nicht Quantencomputer sondern "Quanten-Simulator".

Das ultimative Ziel der Quanteninformatik besteht natürlich nicht darin, Tetris zu spielen, sondern klassische Computer bei der Lösung von Problemen von praktischem Interesse zu übertreffen. Enthusiasten gehen davon aus, dass diese Computer, wenn sie erst einmal leistungsfähig genug sind – vielleicht in ein oder zwei Jahrzehnten –, in Bereichen wie Medizin und Finanzen, Neurowissenschaften und künstliche Intelligenz transformative Auswirkungen haben könnten. Damit dieses Versprechen eingelöst werden kann, benötigen Quantencomputer allerdings wahrscheinlich Tausende von Qubits, um solch komplexe Probleme zu bewältigen.

Die Anzahl der Qubits ist jedoch nicht der einzige Faktor, der zählt. QuEra wirbt auch mit der verbesserten Programmierbarkeit seines Geräts. Das Start-up verwendet so genannte Rydberg-Zustände als Qubits. Das sind hoch angeregte Zustände einzelner Atome, bei denen sich die äußeren Elektronen sehr weit weg vom Atomkern befinden – aber nicht abgespalten werden wie bei Ionen. Um die einzelnen, neutrale Atome für Quantenberechnungen zu nutzen, müssen die Forscher sie extrem kühlen und dann mit einer Reihe von Lasern (die Physiker nennen sie optische Pinzetten) festhalten. Bringt man die Rydberg-Atome nahe genug zusammen, beeinflussen sich die Qubits wechselseitig. Die Positionierung der Qubits ermöglicht es also, die Maschine zu programmieren, auf das zu untersuchende Problem abzustimmen und sogar in Echtzeit während des Berechnungsprozesses neu zu konfigurieren.

Die Maschine verwendet Laserpulse, um die Atome zur Interaktion zu bringen und sie in einen Energiezustand zu versetzen (den Rydberg-Zustand), in dem sie Quantenlogik auf robuste Weise und mit hoher Genauigkeit ausführen können. An diesem Rydberg-Ansatz für die Quanteninformatik wird schon seit einigen Jahrzehnten gearbeitet, aber es waren technologische Fortschritte – beispielsweise bei Lasern und Photonik – erforderlich, damit er zuverlässig funktioniert. In Deutschland arbeitet eine Gruppe an der Universität Stuttgart gemeinsam mit Partnern an einer ähnlichen Quantencomputer-Architektur.

Neue Maßstäbe bei der Programmierbarkeit

"Für verschiedene Probleme müssen die Atome in unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet werden", sagt Alex Keesling, CEO von QuEra und Miterfinder der Technologie. "Das Einzigartige an unserer Maschine ist, dass wir jedes Mal, wenn wir sie laufen lassen, ein paar Mal pro Sekunde die Geometrie und die Konnektivität der Qubits völlig neu definieren können."

Die Maschine von QuEra wurde auf der Grundlage eines Bauplans und von Technologien gebaut, die über mehrere Jahre hinweg unter der Leitung von Mikhail Lukin und Markus Greiner in Harvard sowie Vladan Vuletić und Dirk Englund am MIT (alle gehören zum Gründerteam von QuEra) verfeinert wurden. Im Jahr 2017 verwendete ein früheres Modell des Geräts der Harvard-Gruppe nur 51 Qubits; im Jahr 2020 demonstrierten sie die 256-Qubit-Maschine. Das QuEra-Team rechnet damit, innerhalb von zwei Jahren 1.000 Qubits zu erreichen, und hofft dann, das System ohne große Änderungen an der Plattform über Hunderttausende von Qubits hinaus zu skalieren.

Bisher arbeiten die QuEra-Entwickler allerdings an Quanten-Algorithmen für ihre Architektur. Die Tatsache, dass sie betonen, ihr System sei ein “Quanten-Simulator” lässt allerdings vermuten, dass diese Arbeiten noch nicht überall erfolgreich waren. Denn ein Quanten-Simulator ist eine spezialisierte Form eines Quantencomputers, in dem die Quanten-Eigenschaften realer Systeme unter konkreten Bedingungen in einer Art Quanten-Modellbaukasten nachgespielt werden. Das erfordert weniger Kontrolle über die einzelnen Quantenzustände als bei einem universellen Quantenrechner.

Als der Informatiker Umesh Vazirani, Direktor des Berkeley Quantum Computation Center, zum ersten Mal von Lukins Forschungen auf diesem Gebiet erfuhr, war er dennoch "völlig überschwänglich" – es schien ein wunderbarer Ansatz zu sein, obwohl Vazirani bezweifelte, dass seine Intuitionen der Realität entsprachen. "Wir haben verschiedene gut entwickelte Wege, wie Supraleiter und Ionenfallen, an denen schon lange gearbeitet wird", sagt er. "Sollten wir nicht über andere Systeme nachdenken?" Er erkundigte sich bei John Preskill, einem Physiker am California Institute of Technology und Leiter des Instituts für Quanteninformation und -materie, der Vazirani versicherte, dass sein Überschwang gerechtfertigt sei.

"Darin liegt die Quantenmagie"

Preskill findet Rydberg-Plattformen (nicht nur die von QuEra) interessant, weil sie stark wechselwirkende Qubits erzeugen, die hochgradig verschränkt sind – "und genau darin liegt die Quantenmagie", sagt er. "Ich bin ziemlich begeistert von dem Potenzial, in relativ kurzer Zeit unerwartete Dinge zu entdecken".

Neben der Simulation und dem Verständnis von Quantenmaterialien und -dynamik arbeitet QuEra an Quantenalgorithmen zur Lösung von Optimierungsproblemen, die NP-komplett sind. "Dies sind wirklich die ersten Beispiele für nützliche Quantenvorteile bei wissenschaftlichen Anwendungen", sagt Lukin.

Einer der Investoren von QuEra ist Rakuten, ein japanisches Unternehmen für Internetdienste, E-Commerce und Fintech, das an der Erforschung des Problems der Optimierung von Antennenstandorten für 4G- und 5G-Mobilfunkdienste interessiert ist. "Die Technologie ist außerdem vielversprechend für die Lösung vieler Optimierungsprobleme, von der Lieferroute über das Aktienportfolio und Suchmaschinen bis hin zu Empfehlungen", sagt Takuya Kitagawa, Chief Data Officer bei Rakuten. "Der Traum ist groß."

Preskill ist jedoch nicht besonders optimistisch, dass die Maschine von QuEra die klassischen Algorithmen für Optimierungsprobleme übertreffen wird. Er ist derjenige, der den Begriff der Quantenüberlegenheit geprägt hat und er merkt an: "Wir haben keine überzeugenden theoretischen Argumente dafür, dass wir in absehbarer Zeit einen Quantenvorteil bei der Optimierung sehen werden. Aber es ist sicherlich eine Untersuchung wert".

Und Preskill ist begeistert von QuEras Plan, seine Plattform für Forschung und Entwicklung allgemein zugänglich zu machen. Eine größere Gemeinschaft von Menschen, die mit den Maschinen herumspielen, wird seiner Meinung nach dazu beitragen, herauszufinden, worin sie gut sind. Bleibt zu hoffen, dass sie ihre Zeit nicht nur mit Tetris und Space Invaders verbringen werden.

(jle)