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Die Kommerzialisierung des Quantencomputers

| Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Ein kommerzieller Quantencomputer für Europa – das ist das Ziel von Alpine Quantum Technologies, einem Spin-off der Uni Innsbruck. Eine Investition in Höhe von 10 Millionen Euro soll den Entwicklern erlauben, bis 2022 einen Ionenfallen-Quantencomputer zur Marktreife zu bringen.

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Ein Blick in die Ionenfalle des Quantencomputers.
Ein Blick in die Ionenfalle des Quantencomputers.
(Bild: C. Lackner)

Das Quanten-Startup Alpine Quantum Technologies (AQT) ist am Campus der Universität Innsbruck angesiedelt und wurde von den Quantenphysikern Prof. Rainer Blatt, Prof. Peter Zoller und Dr. Thomas Monz gegründet. Die enge Zusammenarbeit zwischen der Universität Innsbruck, dem IQOQI Innsbruck und der AQT soll den wissenschaftlichen Vorsprung Europas bei den Quantentechnologien auch in einen kommerziellen Vorsprung Europas umzumünzen.

Doch was unterscheidet den AQT-Rechner von den heiß diskutierten Quantencomputern von IBM oder Google? Weder der 20-Qubit Rechner IBM Q System One noch der Prozessor Sycamore von Google sind käuflich zu erwerben. Zudem unterscheidet sich die zugrundeliegende Technologie: AQT setzt für seine Qubits Ionenfallen-Technologie ein, Google und IBM arbeiten mit supraleitenden Schaltkreisen.

Aktuell findet ein Wettlauf zwischen den verschiedenen Technologien statt: „Es gibt noch viele weitere Technologien, die man nicht vergessen sollte und es ist noch nicht klar, welche sich davon durchsetzen wird“, erklärt Dr. Thomas Monz, Quantenphysiker und Geschäftsführer von AQT.

Bei Quantencomputern, die auf Ionenfallen basieren, werden einzelne geladene Atome in Vakuumkammern gefangen. Jedes Ion repräsentiert ein Qubit, welches einzeln durch präzise Laserpulse manipuliert und gemessen wird. Der große Vorteil gegenüber den Rechnern der beiden Tech-Giganten ist jedoch, dass für Ionenfallen keine Tieftemperaturkühlung nötig ist.

Laut Dr. Monz gibt es bereits viele Systeme, die funktionieren, die meisten seien jedoch auf den Labormaßstab ausgelegt. Mit diesen kann man viel lernen und ausprobieren, die Ansprüche an einen kommerziellen Quantencomputer sind jedoch andere.

„Google hat vorgelegt, auch was Automatisierung angeht. Aber für einen kommerziellen Quantencomputer muss man das Thema von Ingenieursseite betrachten: Unser Rechner soll zuverlässig 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche laufen. Das ist wichtig, denn Quantencomputer sind hochkomplexe Systeme, bei denen man im Fehlerfall nicht einfach ein Schräubchen drehen kann, um das Gerät wieder zum Laufen zu bringen“, so Dr. Monz.

Doch wie kann man sich die Arbeit mit einem kommerziellen Quantencomputer vorstellen? Gängige Praxis ist der Cloud-Zugriff, da die Geräte riesig sind, extrem empfindlich gegenüber Störungen und oft eine Tieftemperaturkühlung benötigen. Bei AQT ist das anders: Der Quantenrechner von der Größe eines Wandschranks wird bei Raumtemperatur betrieben und auch der Stromverbrauch sei „grob so hoch wie der eines Wasserkochers“.

Deswegen wird es zwei Möglichkeiten geben, mit den Quantencomputer zu arbeiten: zum einen der Zugriff über eine Cloud. Zum anderen könne der Kunde das Gerät bei sich aufstellen. Letztere Version ist gerade für Unternehmen interessant, die nicht wollen, dass Informationen das Unternehmen verlassen. Auch wenn aktuell zu den Anschaffungskosten des Quantenrechners keine Auskunft gegeben werden kann, ist davon auszugehen, dass sich nur wenige Unternehmen die Anschaffung leisten werden.

„Jeder kann lernen, einen Quantenrechner zu programmieren.“

Das Programmieren von Quantencomputern unterscheidet sich grundlegend von den heute verwendeten Methoden und erfordert daher neue Programmiersprachen. Zudem weist jede Quantencomputer-Technologie unterschiedliche Funktionen und Einschränkungen auf, die sich in der Regel in verschiedenen, vom Gerät abhängigen Programmiersprachen widerspiegeln. Diese Mischung von Programmiersprachen erschwert es Softwareentwicklern und Programmierern, diese Quantencomputer-Prototypen zu verwenden und die Fähigkeiten verschiedener Architekturen zu erkunden.

Dr. Thomas Monz, Quantenphysiker und Geschäftsführer von AQT.
Dr. Thomas Monz, Quantenphysiker und Geschäftsführer von AQT.
(Bild: M.R.Knabl)

Eine Zusammenarbeit von AQT und der Universität Innsbruck ermöglicht nun den direkten Zugriff auf den Ionenfallen-Quantencomputer in Innsbruck über Cirq. Cirq ist ein von Google entwickeltes Framework, das sich auf die Entwicklung und Implementierung von Quantenalgorithmen konzentriert. Mit Cirq können Quantenalgorithmen für die verschiedenen Hardwarearchitekturen, supraleitende Elektronik und gespeicherte Ionen, untersucht werden.

Zum anderen unterstützen die Innsbrucker Rechner Qiskit, eine Open-Source-Programmiersprache, die ursprünglich von IBM für supraleitende Ansätze entwickelt und jetzt für die Verwendung mit Ionenfallen-Geräte erweitert wurde. Qiskit enthält eine große Bibliothek von Algorithmen, Routinen und Anwendungen, die nun über die Cloud auf den Quantencomputern in Innsbruck verfügbar sind. Quantenentwickler können so auf Knopfdruck Verschränkung erzeugen und untersuchen, neue Quantenalgorithmen entwickeln und neuartige Quantenanwendungen auf Geräten von IBM, AQT und der Universität Innsbruck realisieren.

Jeder, der sich mit Programmierung beschäftigt, kann lernen, den Quantenrechner zu programmieren. „Viele Aspekte der Programmierung können auf Quantencomputer übertragen werden, der Unterschied ist jedoch, dass es andere bzw. erweiterte Rechenregeln gibt. Es geht erst darum, die neuen Operationen zu lernen und dann zu verstehen, wo diese Operationen Algorithmen schneller machen kann.“

Es sind bereits kleine Programme aus verschiedenen Branchen – z. B. Finanzen, Chemie, Automotive – vorhanden, die kontinuierlich weiterentwickelt werden. Diese können erweitert werden zur Simulation von quantenmechanischen Eigenschaften von Molekülen, zur Optimierung globaler Lieferketten und Logistikabläufen oder zur Erforschung neuer Ansätze für die Analyse von Finanzinformationen.

Wie lange dauert es bis zur Kommerzialisierung?

Häufig wird davon gesprochen, dass eine gewisse Anzahl (100-1000) von Qubits nötig sind, damit man mit Quantenrechnern „etwas Nützliches machen kann“. „Manche Parteien benötigen allerdings nicht mehr, sondern bessere Qubits“, erklärt der Quantenphysiker.

„Wir konzentrieren uns derzeit darauf, 30-50 Quantenbits zu realisieren. Zur Fehlerkorrektur sowie der Skalierbarkeit haben wir interessante Ansätze. Wichtig ist aber eine hohe Kontrolle. Wenn der Computer nur Fehler macht, interessiert niemanden wie groß der Speicher ist.“

Dabei muss der Quantencomputer laut Dr. Monz nicht komplett fehlerfrei arbeiten: „Entscheidend ist, ob ich mit den Fehlern leben kann. Natürlich kann es sein, dass das Ergebnis am Ende nicht perfekt ist, aber so lange es besser ist als eines vom klassischen Computer, hat der Kunde bereits gewonnen.“

Monz vergleicht das mit dem Programm Word: „Wir wissen, dass es ab und zu abstürzt, also speichern wir immer wieder ab bevor ein Fehler auftritt. Beim Quantenrechner kann man ähnlich denken: Die Fehlerraten müssen klein genug sein, dass man sein Ergebnis bekommt bevor etwas schief geht“. Bis zur Produktreife der Quantenrechner wird es noch einige Zeit dauern. AQT will im nächsten Jahr einen kommerziellen Ionenfallen-Quantencomputer-Demonstrator präsentieren und diesen bis 2022 zur Produktreife führen. Das Unternehmen adressiert mit diesem ein prognostiziertes Marktvolumen von einer Milliarde Euro bis 2020 mit Wachstumsraten zwischen 20 und 35 Prozent jährlich.

Finanzielle Unterstützung erhält die AQT von der Industriellenvereinigung Tirol, der Universität Innsbruck sowie der Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG), die alle drei am Spin-off beteiligt sind. Dabei investiert die FFG fünf Millionen Euro aus Mitteln der Nationalstiftung für Forschung und Technologieentwicklung (NFTE) und die Universität Innsbruck bringt fünf Millionen Euro über die Leistungsvereinbarung mit dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung ein.

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Über den Autor

Dr. Anna-Lena Gutberlet

Dr. Anna-Lena Gutberlet

Freiberufliche Autorin