Weltweit größter Quantencomputer soll in Europa rechnen

Artikel von Jonas Hubertus am 30. Oktober 2018 um 22:55 Uhr im Forum Wissenschaft & Forschung - Kategorie: Wissenschaft

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Weltweit größter Quantencomputer soll in Europa rechnen

30. Oktober 2018     Kategorie: Wissenschaft
Quantencomputer werden als Supercomputer der Zukunft vorhergesehen. Sie nutzen quantenmechanische Phänomene von Atomen wie Überlagerung und Verschränkung, um auch komplexe Rechenoperationen parallel und mit hoher Geschwindigkeit ausführen zu können. Damit sind sie konventionellen (Super)Computern weit überlegen was die Leistung und Effizienz angeht. Allerdings gibt es bis heute noch keinen Quantencomputer, der für praktische Anwendungen genutzt wird. Wissenschaftler Weltweit tüfteln daran, dies zu ändern. Das europäische Projekt „OpenSuperQ“ hat sich vorgenommen, bis 2021 einen funktionierenden Quantencomputer mit 100 Qubits zu bauen. Das wäre zugleich der größte Quantencomputer Weltweit.

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Quantencomputer bis 2021
Erste kommerzielle Quantencomputer existieren bereits. Auch die Menge erreichbarer Qubits ist gestiegen, inzwischen gibt es Computer mit bis zu 50 Qubits. Das EU-Projekt „OpenSuperQ“ möchte diese Menge verdoppeln. „Das ist eine Größe, mit der dieser Quantencomputer die heutigen Supercomputer klassischen Typs bei bestimmten Aufgaben weit hinter sich lassen wird„, heißt es auf der Webseite des Projekts. Der entstehende Computer soll auf supraleitende Schaltkreise basieren und mit einer Open-Source-Software betrieben werden. „ Dieser offene und integrative Ansatz ist eines der hervorstechendsten Merkmale von ‚OpenSuperQ‘„, erläutert Frank Wilhelm-Mauch von der Universität des Saarlandes, der das Projekt koordiniert.

Quantencomputer mit Cloudzugriff
Der „SuperQ“ soll ein echter Quantencomputer werden. Dieser kann im Gegensatz zu Quantensimulatoren nicht nur bestimmte Aufgaben lösen, sondern ist ein echter Alleskönner. Das Projekt sieht aber Aufgabenschwerpunkte vor. „ Zwar ist er als Allzweck-Quantencomputer ausgelegt, dennoch liegen seine Hauptanwendungen in der Simulation von Abläufen in Chemie und Materialwissenschaft sowie beim maschinellen Lernen„, so die Wissenschaftler.

Der SuperQ soll im Forschungszentrum Jülich stationiert werden und dann über eine Cloud für Nutzer aus der ganzen Welt zugänglich sein. „ Dieser Standort wird sicherlich befeuern, dass Ideen aus der Wissenschaft rasch in Anwendungen umgesetzt werden“, so Wilhelm-Mauch. Bei „OpenSuperQ“ handelt es sich um einen Teil des Programms der EU-Kommission zur Erforschung von Quantentechnologien. Das Projekt wird im Rahmen dieses Programms mit etwa zehn Millionen Euro gefördert.

Projektbeschreibung von OpenSuperQ


10 internationale Partner aus Wissenschaft und Industrie werden an einem einzigartigen Forschungsvorhaben zum Aufbau eines hybriden Hochleistungs-Quantencomputers zusammenarbeiten. Das neue EU-Projekt OpenSuperQ (Ein offener supraleitender Quantencomputer) ist unter der Koordination der Universität des Saarlandes Teil der groß angelegten FET-Flagship-Initiative für Quantentechnologien. Diese beispiellose 1-Milliarden-Euro-Initiative wird von der Europäischen Kommission finanziert und bringt erfahrene Partner aus der gesamten EU zusammen.

Die Welt unternimmt derzeit die ersten Schritte in die zweite Quantenrevolution, in der die Quantentechnologien eine entscheidende Rolle in der Spitzentechnologie spielen werden. In den letzten Jahren wurde das Quanten-Computing von einem grundlegenden Forschungskonzept zu einem lebensfähigen Cloud-Angebot erweitert, das den Alltag der Menschen auf vielfältige Weise beeinflussen wird. Ziel des Verbundforschungsprojekts OpenSuperQ ist es, ein Quantencomputersystem mit bis zu 100 Qubits zu entwickeln und dieses an einer zentralen Stelle für externe Nutzer nachhaltig verfügbar zu machen. Das System besteht aus einem vollständigen Computer-Stack: Die Hardware wird auf supraleitenden integrierten Schaltkreisen basieren und die notwendige technologische Infrastruktur inklusive Steuerungssystem und anwenderfreundlicher Kryotechnik enthalten. Der Software-Stack wird vom Benutzerzugriff bis zur Low-Level-Steuerung integriert. Als universeller Quantencomputer konzipiert, zielt das Konsortium insbesondere auf Anwendungen für die Quantensimulation in Chemie und Materialwissenschaften sowie auf Optimierung und maschinelles Lernen ab. Der Computer wird zu den führenden Plattformen der Welt gehören und der erste seiner Art in Europa sein.

"Wir haben das Glück, ein Team der renommiertesten Akteure auf dem Gebiet zusammenzubringen, das Wissenschaft, Technik und Anwendungsentwicklung auf höchstem Niveau vereint", sagte Prof. Wilhelm-Mauch vom Physik-Department der Universität des Saarlandes, der das Projekt koordiniert. "Ein unterscheidendes und weltweit einzigartiges Merkmal von OpenSuperQ ist sein offener und integrativer Ansatz. Wir glauben fest daran, dass dieser Ansatz es unserem System und seinen zugrunde liegenden Technologien ermöglichen wird, einer großen Gemeinschaft von Erstanwendern von Quantentechnologien zu dienen und die nächste Generation von Quantenwissenschaftlern, Entwicklern und Anwendern auszubilden. Darüber hinaus wird der geplante nachhaltige Zentralstandort im Forschungszentrum Jülich sicherlich die Umsetzung von Technologien in Anwendungen vorantreiben. "

Wie funktioniert ein Quantencomputer?


Um einen Quantencomputer zu bauen, braucht man zunächst Rechen- und Speichereinheiten. Diese sogenannten Qubits sind das quantenmechanische Pendant zu den Bits herkömmlicher Rechner. Bits können genau einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen, das sind im Binärsystem entweder Null oder Eins.
Das Qubit kann sich dagegen für eine bestimmte Zeitspanne, die sogenannte Kohärenzzeit, in einem Zwischenzustand aus Null und Eins befinden. Dieser Zustand wird auch Superposition genannt. Durch eine Messung geht das Qubit dann in einen der beiden klar definierten Zustände über, sodass man das Messergebnis in einem „klassischen“ Bit speichern kann. Dieser Verlust der Superposition wird Dekohärenz genannt.

Im Labor stellen Forscher Qubits unter anderem aus Ionen oder supraleitenden Schleifen, sogenannten SQUIDs, her. Rainer Blatt von der Universität Innsbruck und seine Kollegen haben sich für Experimente mit Ionen entschieden. Sie halten die einfach positiv geladenen Ionen – also Atome, denen ein Elektron fehlt – durch elektrische Felder in sogenannten Paul-Fallen gefangen.

Bei diesem Qubittyp entspricht ein nicht angeregtes Ion dem Zustand Null und ein angeregtes dem Zustand Eins. Als nicht angeregt bezeichnet man ein Atom mit der niedrigst möglichen Energie. Angeregt bedeutet, dass dem Teilchen Energie zugeführt wurde und das äußerste Elektron dadurch in ein höheres Energieniveau gelangt ist. Mit Lasern können Blatt und sein Team nun die Ionen in einen angeregten, nicht angeregten oder einen Superpositionszustand dazwischen bringen. Um einen Quantencomputer zu realisieren, müssen aber noch weitere Voraussetzungen geschaffen werden. Zum Lösen von Rechenaufgaben, braucht man mehrere Qubits, ein sogenanntes Quantenregister. Die Information wird dann auf alle Qubits eines Registers verteilt.

Um die Manipulation der Zustände zu beschreiben, nutzen die Physiker logische Operatoren, wie sie Informatiker auch für elementare Operationen eines klassischen Computers verwenden. Diese Operatoren heißen bei Quantencomputern Quantengatter. Auf Qubits angewendet verändern sie die dort gespeicherte Information. Bei den Ionenfallen beschreiben Quantengatter die Art, mit der ein Ion durch einen Laser manipuliert wird – also Dauer der Bestrahlung und Wellenlänge des Lichts.

Ähnlich wie in der klassischen Informatik reichen wenige logische Grundoperationen aus, um jeden beliebigen Rechenvorgang auf dem entsprechenden Quantencomputer zu realisieren.

Ein Rechenvorgang besteht aus einer Abfolge dieser Grundoperationen und läuft bei einem klassischen Computer folgendermaßen ab: Die Bits liegen als Register in einer Reihe nebeneinander und befinden sich jeweils in einem festgelegten Anfangszustand von Null oder Eins. Dann klappt der Computer die einzelnen Bits um und ändert damit ihren gespeicherten Wert von Null in Eins oder umgekehrt.

Im quantenmechanischen System funktioniert ein Rechenvorgang nach dem gleichen Prinzip: Zunächst muss der Anfangszustand des Quantenregisters festgelegt werden. Rainer Blatt und sein Team realisieren das mit Laserpulsen, die sie auf die Kette aus Ionen schießen. Durch die Länge der Bestrahlung können sie die Wahrscheinlichkeit festlegen, mit der das Ion anschließend im angeregten oder nicht angeregten Zustand gemessen werden kann. Diese Wahrscheinlichkeiten werden mathematisch durch Wellenfunktionen beschrieben, die den einzelnen Qubits zugeordnet sind.

Hohe Fehlerquote beim Rechnen
Die Forschungsziele sind derzeit darauf ausgerichtet, die Systeme zu erweitern und die Rechenfehler pro Operation zu reduzieren. Forscher arbeiten also zum einen daran, mehr Qubits parallel zu kontrollieren. Dafür entwickeln sie weltweit verschiedene technische Realisierungen von Qubits und testen, wie gut sich diese manipulieren und gleichzeitig von der Umwelt isolieren lassen. Zum anderen beschäftigt die Wissenschaftler eine andere große Schwachstelle: Bei Quantencomputern steigen die Fehler exponentiell mit der Anzahl der Qubits. Das ist besonders problematisch, weil die üblichen Fehlerkorrekturen nicht greifen. Eine klassische Methode ist es, Bits mehrfach zu kopieren, um mit den Kopien zu rechnen. Weicht ein Ergebnis von dem ab, was die meisten Kopien liefern, deutet das auf einen Fehler im System hin. Das funktioniert in der Quantenwelt nicht. Denn hier zerstört jede Störung, also auch das Kopieren, den Superpositionszustand der Qubits.

Quantencomputer & KI sind keine Gefahr


Es wird noch viele Jahre brauchen bis diese Technik nutzbar wird. Möglicherweise gibt es auch noch andere Technologien die schneller in den Griff zu bekommen sind. Biochemische Computer und ähnliches sind ebenfalls in Entwicklung. Oder gar eine Schnittstelle für organische Rechensystem, die dann das Gehirn von Tieren oder Menschen nutzen könnten. Aber davon ist man derzeit noch viel weiter entfernt.

Interessant wird das vor allem für Problemlösungen jeder Art, denn so können aufwendige Algorithmen eingespart werden, wenn die Lösung einfach erraten wird durch Try&Error-Prinzip. Eine KI bräuchte gar nicht so viel Rechenleistung, hier liegt das Problem eher an der Software, bzw an dem Algorithmus der sich selbst Komplexer generieren soll und die dafür aufgearbeiteten Daten. Das erste Grundproblem wäre, das die KI das lernen lernt und Sprache versteht, und somit eigenständig Informationen und Datenbanken einlesen und sortiert speichern kann. Die KI ist also auch nur so gut wie ihr gelerntes Wissen oder Erfahrung (Speicher) um daraus eine best mögliche rationale Lösung zu erlangen.

Eine KI wird nie gefährlich sein, wenn sie nicht menschlich ist, weil sie rational handelt. Sie hat keine Triebe, keine Ängste und keine Emotionen. Das macht sie sicher und effizient.
 
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