Aktueller Stand zur Entwicklung und Leistungsfähigkeit von Quanten-Rechner

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Neben IBM, Google, Microsoft und Alibaba betritt mit Amazon ein neuer Player das Quanten-Universum und wird ebenso in Zukunft Cloud-Services anbieten, um auch private Nutzer den Zugang zu Quanten-Rechnern zu ermöglichen. Das Ziel ist, durch eine breitere Masse an interessierten Entwicklern, den Fortschritt signifikant zu beschleunigen. Zunächst aber wird der Zugang aber wohl noch auf ausgewählte Kunden beschränkt bleiben.

Bild1: IBM Quantenrechner

Die Grenzen der Leistungsfähigkeit unserer digitalen Rechner werden jährlich überschritten. Trotzdem zeigt sich immer mehr, dass auch Moore’s Law nicht für alle Ewigkeit gilt. Einen möglichen Ausweg bilden neuronale Netze oder sogenannte Quantenrechner. Über Letztere möchten wir in diesem Blog schreiben und den aktuellen Stand der Entwicklungen zeigen.

Wieso benötigt man überhaupt neue Supercomputer ? Es gibt beispielsweise die Anforderung, Hurricanes oder sonstige Naturkatastrophen besser vorhersagen zu können. Oder aber auch neue Verschlüsselungstechniken zu entwickeln, welche die immensen Mengen an neuen Daten verarbeiten können. Für manch eine solcher Aufgaben würden heutige Supercomputer noch viele Jahre benötigen.

Die Überlegenheit des Quantencomputers gegenüber klassischen digitalen Rechnern beruht darauf, dass er ausser normalen Bits noch beliebig viele quantenmechanische Überlagerungszustände von Nullen und Einsen simultan verarbeiten kann. Komplexe mathematische Aufgaben kann der Quantenrechner damit viel schneller und hoch-parallel lösen (Quelle FAZ-Bericht über IBM).

Bild2: IBM Q (System One)

Die Quantenbits (oder Qubits) können mit Hilfe vom Atomen, Ionen oder Elektronen und deren Spins oder durch die Polarisationszustände von Photonen verwirklicht werden. Als besonders vielversprechend gelten elektrische Schaltkreise, welche in supraleitende Mikrochips integriert sind, wie sie von IBM und anderen grossen Computerfirmen (siehe unten) favorisiert werden. Die Quantenprozessoren müssen allerdings mit flüssigem Helium gekühlt werden. Sie haben aber den Vorteil, dass man sie mit den verfügbaren und etablierten Verfahren der Halbleitertechnik fertigen kann. Allerdings müssen die Forscher sicherstellen, dass die Quantenbits stabil bleiben und ihre Zustände sich nicht plötzlich und unkontrolliert ändern. Die Folge wären schwerwiegende Fehler in den Berechnungen. Die grösste Gefahr droht vielmehr durch Restwärme, Erschütterungen oder durch elektrische Streufelder. Offenkundig hat IBM alle Störquellen in den Griff bekommen. Denn es sei gelungen, die 20 Quantenbits 75 Mikrosekunden lang in einem ungestörten kohärenten Zustand zu halten. Laut IBM ein Rekord auf dem Gebiet des universellen Quanten-Computings. Die kommerzielle Nutzung des Systems würde damit endlich möglich (Quelle FAZ-Bericht über IBM).

Microsoft

IBM, aber auch Microsoft, Google, und Alibaba haben mit Ihren Fortschritten im Bereich Quanten-Rechner die Messlatte bereits sehr hoch gelegt. Microsoft kombiniert das mit seiner Cloud-Lösung Azzure und bietet zudem skalierbare Lösungen an. Azure Quantum hat für Entwickler eine der ersten dynamischen Communities etabliert, in der neue Entwickler im Bereich des Quantencomputing voneinander lernen und gemeinsam mithilfe des Quantum Development Kit Probleme lösen und Projekte erstellen können. Dieses auf GitHub verfügbare Open-Source-Kit schließt die quantenbezogene Programmiersprache Q# (Q-Sharp) sowie Tools für das Selbststudium ein, mit denen Sie die Grundlagen der Quantenentwicklung erlernen können.

Neue Quantum fokusierte Programmiersprache

Als erste Ihrer Art, ist Q# eine neue High-Level und Quantum-fokusierte Programmiersprache. Q# hat eine hohe Integration mit Visual Studio und Visual Studio Code und ist auch kompatibel mit Python (Quelle: Microsoft)

IBM

Bild3: IBM Aufbau Quanten-Rechner

Der Quantenrechner gilt als der „nächste große Wurf“ in der Computerbranche. Weil die Rechenmaschine die Gesetzmässigkeiten der Quantenphysik bestmöglich ausnutzt, soll sie deutlich leistungsfähiger sein als ihre klassischen Pendants. War der Quantencomputer noch vor gut zehn Jahren von rein akademischen Interesse, tüfteln heute fast alle wichtigen Computerhersteller und Internetfirmen an ihren eigenen Quantenrechnern, allen voran Google, Intel, Microsoft und IBM. Allerdings hatte bisher noch kein Prototyp das Laborstadium verlassen. Das dürfte sich ändern. IBM hat kürzlich seine neueste Errungenschaft präsentiert: den ersten integrierten Quantenrechner der Welt, der vor allem für kommerzielle Kunden und deren Anwendungen gedacht ist. Die Leistungsfähigkeit hat sich laut IBM deutlich verbessert. Rechneten die Vorgängermodelle noch mit fünf und vielleicht 16 Quantenbits, so soll „IBM Q Systems One“ schon mit 20 dieser quantenmechanischen Informationseinheiten arbeiten. 20 Qubits galten lange als Gradmesser für einen funktionierenden Quantencomputer. Von 50 Qubits an soll ein Quantencomputer sogar jedem klassischen Supercomputer überlegen sein (Quelle: IBM).

GOOGLE

Google hat sie eigenen Angaben zufolge bereits übersprungen und soll einen 76 Quantenbit-Prozessor bauen. Sollte stimmen, was in dem geleakten Paper steht, dann hat Google noch keinen wirklichen Quantencomputer vorgestellt, mit dem man allgemeine Probleme lösen kann. Stattdessen haben die Forscher einen Chip namens Sycamore entworfen, auf dem 53 Qubits arbeiten, das ist das Quantenäquivalent zu den herkömmlich bekannten Bits. Während Letztere immer den Wert 1 oder 0 annehmen, kann ein Qubit aufgrund seiner Quanteneigenschaften in einem Überlagerungszustand verharren und erst am Ende der Rechnung einen der beiden Werte annehmen. Dadurch lassen sich theoretisch eine Reihe von mathematischen Problemen viel schneller lösen als auf herkömmlichen Computern.

Wie das Problem, für das der Sycamore-Chip optimiert war: Es handelt sich um eine komplexe Berechnung von Zufallszahlen, für die heutige Rechner schätzungsweise 10.000 Jahre und mehr brauchen würden – der Quantenchip benötigte laut dem Papier aber nur drei Minuten und 20 Sekunden. Und damit erfüllte er das Kriterium der Quantenüberlegenheit, wie sie der Physiker John Preskill 2012 definierte: nämlich dass ein Quantencomputer eine Aufgabe bewältigt, die selbst für die grössten herkömmlichen Supercomputer praktisch unlösbar ist (Quelle: Google).

Alibaba

China, [1. März 2018] – Alibaba Cloud, die offizielle Cloud-Computing-Sparte der Alibaba Group, und die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS), das bekannte führende akademische und Forschungsinstitut Chinas, haben die supraleitende Quantencomputing-Cloud mit einem Quantenprozessor mit einer Leistung von 11 Quantenbits (Qubits) offiziell in Betrieb genommen. Dieser Quantencomputing-Service gehört zu den zwei aktuell leistungsstärksten weltweit und bietet eine Vielzahl von spezifischen Funktionen, darunter auch die Fähigkeit, bei extremen Temperaturen bis einschliesslich 10 mK (-273 Grad Celsius) betrieben zu werden.

Benutzer können jetzt über Alibaba Clouds Quantencomputing-Cloud-Plattform auf die supraleitende Quantencomputing-Cloud zugreifen, um benutzerspezifische Quantencodes effizient auszuführen und zu testen und die Ergebnisse direkt herunterzuladen.

Quantencomputing wird auch als „ultimative Rechenleistung“ bezeichnet und gilt als Lösung, die Berechnungen weitaus schneller durchführen kann als herkömmliche Computer. Mit dieser bahnbrechenden Quantentechnologie von CAS und Alibaba Cloud können Benutzer ihre Quantenalgorithmen ausführen und erproben, um mehr über die Funktionen und Fähigkeiten in Erfahrung zu bringen, darunter die Leistung des Prozessors sowie etwaige technologische, noch nicht bekannte, Einschränkungen. Mit einem tiefgreifenderen Verständnis dieser Aspekte wird die Weiterentwicklung der Quantentechnologie beschleunigt.

Die Bereitstellung von Quantencomputing-Services in der Cloud ist ein weiterer Durchbruch der beiden ungleichen Partner. Damit werden eine größere Teilnahme beim Überwinden technologischer Hürden und der Austausch von Ideen und Wissen ermöglicht, die für Wissenschaftler einen wichtigen Schritt zur vollen Nutzung dieser leistungsstarken Technologie bedeuten würden.

Dr. Shi Yaoyun, Chief Quantum Technology Scientist von Alibaba Cloud, sagte kürzlich: „Mit der Einführung von Quantencomputing-Services in der Cloud erleichtern wir den Teams die Erprobung von Quantenanwendungen in einer realen Umgebung, um die Eigenschaften und die Leistung der Hardware besser zu verstehen und den Weg zur globalen Entwicklung von Quanten-Tools und -Software zu ebnen. Das von der Cloud ermöglichte Benutzererlebnis wird uns zweifelsohne helfen, unsere Plattform weiter zu verbessern.“

Im Juli 2015 errichteten Alibaba Cloud und CAS gemeinsam das erste Quantencomputing-Labor in Asien und erreichten kurz darauf einen Durchbruch mit der weltweit ersten Cloud-basierten Quantenverschlüsselungsmethodik. Im Mai 2017 beteiligte sich das CAS-Alibaba-Quantencomputing-Labor an der Entwicklung des weltweit ersten Photonen-Quantencomputers (Quelle Alibaba Cloud).

AMAZON

Ein weiterer Player am Markt ist seit kurzem amazon mit Ihrer Tochter-Firma aws (amazon web services, Cloud-Sparte des Internet Riesen). Neu ist wie bei Microsoft, dass dieser Quanten-Rechner erstmals einer breiten öffentlichkeit (nur ausgewählte Kunden) zugänglich gemacht werden soll. Amazon kündigt mitunter Cloud-Dienste auf Qunatenrechner Amazon Bracket anzubieten.

Ein Partner ist dabei Rigetti, ein im Vergleich kleines Unternehmen im weltweiten Quantum-Universum. Aber auch D-Wave oder IonQ sind mit von der Party. Amazon möchte mit ihrer Cloud Zugang zu diesen Quanten-Rechnern bieten, – ähnlich wie bei Open Source sollen aber möglichst viele Top-Leute an neuer Software arbeiten, um signifikante Ergebnisse zu erzielen. Amazon gründet zu diesem Zweck das California Institute of Technology (Quelle: Amazon Bracket).

Wie ist der Stand der Dinge in der Schweiz ?

In der Schweiz gibt es neben den bekannten Universitäten auch ein paar kleine Start-Up’s, welche sich mit dem Thema Quanten-Computing und wegweisenden Programmen beschäftigen. Eines davon ist die acceleron GmbH, besser bekannt als acceleron suisse. Diese engagiert sich u.a. auf die Entwicklung von Quanten-Programmen für Big Data Analysen. acceleron suisse möchte zukünftig auch Diplom-Arbeiten auf diesem Gebiet anbieten und betreibt für Digitale Innovationen einen eigenen Think Tank, zu welchem neben eigenen Mitarbeitern auch Studenten und Professoren verschiedener Universitäten Input liefern.

Disclaimer: der Blog erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Richtigkeit der verwendeten und übersetzten Texte …

jro

 

Weiterführende Links

[https://aws.amazon.com/de/blogs/aws/amazon-braket-get-started-with-quantum-computing/

https://www.nzz.ch/wirtschaft/amazon-bietet-quantum-computing-dienste-an-ld.1525953

https://azure.microsoft.com/de-de/services/quantum/

https://www.microsoft.com/en-us/quantum/development-kit

https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

https://www.zeit.de/digital/datenschutz/2019-09/quantencomputer-google-technik-fortschritt-supercomputer

https://www.alibabacloud.com/d<e/press-room/alibaba-cloud-and-cas-launch-one-of-the-worlds-most

https://www.faz.net/aktuell/wissen/computer-mathematik/ibm-praesentiert-den-ersten-kommerziellen-quantencomputer-15980196.html]

 

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About Author

Juergen is a Co-Founder of the start-up acceleron suisse and responsible for Management Consulting, Analytics & AI, CRM and Innovations (Think Tank).

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