Ungeahnte Möglichkeiten durch Quantencomputing
Quantencomputer basieren auf einer vielversprechenden Technologie, die sich grundlegend von der des klassischen Computers unterscheidet.
Sie nutzen unmittelbar die Prinzipien der Quantenphysik, um Informationen zu speichern und Berechnungen durchzuführen. Als kleinste Informationseinheiten dienen dabei sogenannte Qubits.
Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits in einer beliebigen Superposition von 0 und 1 existieren. Das Prinzip der Superposition sowie die kontrollierte quantenmechanische Verschränkung von Qubits in größeren Systemen erlauben es, Berechnungen hochgradig parallelisiert durchzuführen.
Im Idealfall perfekter Qubit-Systeme wächst die Rechenleistung exponentiell mit der Anzahl an Qubits. Die Realisierung und Skalierung universeller und fehlerkorrigierter Quantencomputer wird jedoch noch viele Jahre an intensiver Forschung und Entwicklung erfordern.
Theoretisches Rechenbeispiel für das riesige Quantencomputing-Potenzial:
Ein Quantencomputer mit 300 verknüpften Qubits kann potenziell 2300 mögliche Zustände gleichzeitig beschreiben und damit eine größere Zahl gleichzeitig darstellen, als es Atome im bekannten Universum gibt!
»FMD-QNC« Quanten-Enabler Mikroelektronik
Mit der deutschlandweiten Kooperation »FMD-QNC« bietet die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland mit weiteren Partnern einen niederschwelligen Zugang zu den zentralen Enabler-Technologien des Quantencomputings aus dem Bereich Mikroelektronik.
Neue Rechnertechnologien als Garant für Sicherheit, Wohlstand und Ökologie
Noch sind die neuen Computertechnologien nicht anwendungsreif, ihr disruptives Potenzial ist jedoch sehr groß. Nun gilt es, einen Vorsprung gegenüber der weltweiten Konkurrenz zu generieren. Dies gelingt vor allem durch intensiven Wissenstransfer in die Industrie und besondere Anstrengung bei der Aus- und Weiterbildung von spezialisierten Fachkräften.
Deutschland und Europa sind bei der Forschung zum neuromorphen Computing und zu Quantentechnologien gut aufgestellt, dies kann sich in einem dynamischen Feld jederzeit ändern. Eine Abhängigkeit von anderen Regierungen oder Unternehmen beim Zugriff auf neue Computertechnologien könnte fatale Auswirkungen auf unsere (Cyber-) Sicherheit und Ökonomie haben.
Auch bei der Erreichung von (globalen) ökologischen Zielen bieten die neuen Technologien enorme Chancen. Die nächste Computergeneration kann beispielsweise durch Simulationen zur Entwicklung effektiverer Düngemittel beitragen oder komplexe Szenarien zur globalen Klimaentwicklung erstellen.
Durch den Einsatz von neuromorphen und Quantenmodulen in Hochleistungsrechenzentren wird nicht nur eine erhebliche Leistungssteigerung ermöglicht, sondern es werden auch entsprechende Energieeinsparungen erzielt. Dies ist auf die deutlich verkürzten Laufzeiten bei den einzelnen Rechenoperationen zurückzuführen.
Quantencomputing – eine neue Technologie mit grenzenlosem Potenzial
Beispielanwendungen die derzeit entwickelt werden im Blick
Kryptographie
Quantenkryptographie kann unsichere Methoden der Verschlüsselung revolutionieren, indem sie sich auf die Verschränkung von Qubits stützt, um sichere Kommunikation zu gewährleisten.
Logistik und Transport
Um komplexe Optimierungsprobleme in der Logistik und im Transport zu lösen, können Quantencomputer die Route von Lieferfahrzeugen optimieren (travelling salesman problem) oder die Kapazität von Lagern berechnen.
Chemie- und Materialdesign
Quantencomputer können komplexe chemische und physikalische Prozesse modellieren und simulieren, um Materialien und Medikamente zu entwerfen und zu optimieren.
Finanzen
Quantencomputer können komplexe Finanzmodelle simulieren und Risiken in Echtzeit bewerten, um schnelle Entscheidungen und bessere Ergebnisse zu erzielen.
Künstliche Intelligenz
Um schnellere und genauere Ergebnisse zu erzielen, können Quantencomputer das Training von neuronalen Netzen und anderen KI-Modellen beschleunigen und optimieren.
Herausforderungen einer disruptiven Zukunftstechnologie
Das Potenzial von Quantencomputern ist enorm. Die ersten Laboraufbauten sind erfolgreich im Einsatz. Es ergeben sich aber einige Schwierigkeiten, die vor einer Überführung in die breite Praxis gelöst werden müssen.
Quantensysteme sind sehr empfindlich gegenüber kleinsten Störungen aus der Umwelt. Je größer die Anzahl der Qubits ist, umso schwieriger wird es, die Systeme zu kontrollieren und perfekt vor Störeinflüssen zu schützen.
Teilweise lassen sich hervorgerufene Fehler durch geschickte Algorithmen kompensieren oder durch die Kodierung der Quanteninformation auf mehreren physikalischen Qubits nachträglich korrigieren.
Es gibt derzeit noch verschiedene konkurrierende Ansätze für die Qubit-Realisierungen wie Supraleiter, neutrale Atome, Ionenfallen und Festkörperspins. Derzeit wird noch erforscht, welche Ansätze sich am besten für das Quantencomputing und dessen verschiedene Anwendungen eignen. Hier muss noch erhebliche Pionierarbeit geleistet werden.
Mikroelektronik als Basis, um Quantencomputing zu kontrollieren
Noch steht nicht fest, welche Technologieplattform sich für Quantencomputer durchsetzen wird. Alle aktuellen Ansätze haben spezifische Vor- und Nachteile. Seien es Bedürfnisse an extreme Kälte, die Größe des Geräts, sehr hoher Kosten oder Skalierbarkeit und Rauschunterdrückung. Im Projekt »FMD-QNC« wird daher technologieoffen an den vielversprechendsten Ansätzen gearbeitet:
Supraleiter
Bei dieser Technologie werden die grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers, die Qubits, durch widerstandslos fließende Ströme in supraleitenden Schaltkreisen realisiert. Diese Ströme sind relativ robust gegenüber äußeren Störeinflüssen und können die Quanteneigenschaften über lange Zeit beibehalten. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.
Neutrale Atome
Ultrakalte Atome werden im Vakuum einzeln in optischen Fallen aus fernverstimmtem Laserlicht gefangen. Sie repräsentieren perfekte Qubits, die über die Lichtfelder räumlich frei angeordnet werden können. Durch resonantes Licht können die Qubits kontrolliert und gezielt in Wechselwirkung gebracht werden. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.
Ionen-Fallen
Ionen werden durch elektromagnetische Wechselfelder innerhalb einer Vakuumkammer gefangen. Sie bilden dabei lineare Ketten aus perfekten Qubits. Mikroelektronik und Photonik erlauben es, die Ionen elektromagnetisch zu kontrollieren und auszulesen. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.
Festkörper-Spins
Auch die Spins von Elektronen in Festkörpern können als Qubits verwendet werden. Mittels elektrostatisch geladener Elektroden auf Halbleiteroberflächen können Quantenpunkte erzeugt werden, in denen einzelne Elektronen gefangen sind. Durch elektrische und magnetische Wechselfelder können die Elektronen kontrolliert und zur Wechselwirkung gebracht werden. Die eingesetzten Technologien haben große Ähnlichkeit zu denen von klassischen Schaltkreisen. Die Technologie ist Teil des Projekts FMD-QNC.
| Weitere Informationen zu Forschungsschwerpunkten und Projekten | 0.3 MB |
