Das Quantencomputing könnte die Informationstechnologie revolutionieren, indem es sich die seltsamen Prinzipien der Quantenmechanik zunutze macht. Während die Versprechungen dieser Technologie viel Publicity erzeugen, ist die Realität zwischen beeindruckenden Fortschritten und hartnäckigen technischen Hindernissen gespalten.
Im Jahr 2019 erklärte Google, es habe die "Quantenvorherrschaft" erreicht - einen technologischen Fortschritt, der die Effizienz von Quantencomputern über die ihrer konventionellen Gegenstücke hinaus steigern könnte. In Wirklichkeit konnte ein herkömmlicher Computer nur wenige Monate später die gleichen Ergebnisse erzielen. In jüngerer Zeit erklärte Microsoft, es habe das erste topologische Quantenbit oder Qubit konstruiert, das ausreichend robust gegen Fehler sei - ein idealer Kandidat für eine Quantencomputerarchitektur. Sein "topologischer Schutz" vor Fehlern ist jedoch noch immer nicht bewiesen. Diese beiden Beispiele zeigen eine Tendenz bei einigen Akteuren, Erfolge auf dem Weg zu einem praktischen und nützlichen Quantencomputer zu beanspruchen, der in Wirklichkeit vielleicht noch mehrere Jahrzehnte auf sich warten lässt.
Das Potenzial des Quantencomputers ist ebenso real wie gigantisch. Unternehmen und Regierungen investieren Milliarden in Forschungs- und Entwicklungsprogramme. Einige beeindruckende Ergebnisse wurden bereits erzielt, aber das Umfeld ermutigt auch zu übertriebener Hetze. diese Begeisterung stützt die Branche ein wenig", erklärt Vincenzo Savona, Professor am Laboratorium für physikalische Theorie der Nanosysteme der EPFL. Das ist tückisch, weil es ein Gefühl der Enttäuschung erzeugen kann, wenn die Fortschritte langsamer sind. Aber die Tatsache, dass es einen Hype gibt, bedeutet auch nicht, dass Quantencomputer unmöglich sind"
Ein grundlegend anderer Computer
Quantencomputer machen sich die Eigenschaften subatomarer Teilchen (Superposition, Verschränkung und Interferenz) zunutze, um Berechnungen durchzuführen. Während herkömmliche Bits zwei Werte annehmen können, nämlich 0 oder 1, können Qubits jede beliebige Kombination dieser beiden Werte annehmen. In der Informatik eröffnet sich dadurch ein neues Universum an Möglichkeiten.
Theoretisch können Quantencomputer Probleme lösen, die ihre konventionellen Gegenstücke nie oder nur nach sehr langer Rechenzeit bewältigen könnten. Das bedeutet jedoch nicht, dass Quantencomputer alle Probleme bewältigen können - und auch nicht alle Probleme, die herkömmliche Computer lösen -, sondern vielmehr, dass sie für bestimmte Fragestellungen besser gerüstet sind. Sie sind nicht unbedingt schneller und werden die herkömmlichen Computer nie vollständig ersetzen.
Die Entwicklung von Quantencomputern erfordert neue Arten von Architekturen, die sich die Regeln der Quantenphysik zunutze machen. Zu den vielversprechendsten Quantencomputersystemen gehören supraleitende Qubits und eingefangene Ionen. "Superleitende Qubits sind heute die ausgereifteste Architektur, aber wir sind noch weit davon entfernt, Qubits zu erhalten, die mit den Transistoren in Mikroprozessoren vergleichbar sind", erklärt Edoardo Charbon, Professor am Labor für fortgeschrittene Quantenarchitektur der EPFL.
In Wirklichkeit beruht die Zukunft der Informatik auf einem neuen Paradigma, bei dem konventionelle und Quantensysteme nebeneinander existieren und sich ergänzen. "Die Integration von Quanten- und konventionellen Architekturen ist wahrscheinlich das interessanteste und kniffligste Problem, dem wir uns jetzt gegenübersehen", fährt Edoardo Charbon fort. Derzeit wird dieses Problem in grossen europäischen Projekten erforscht, indem Quantencomputer in Hochleistungsrechenzentren integriert werden.
Anwendungen am Horizont
Zu den Bereichen, in denen erwartet wird, dass Quantencomputer einen echten Vorteil gegenüber herkömmlichen Computern haben werden, gehört die Simulation quantenmechanischer Systeme. Die vor über 40 Jahren von Richard Feynman erdachte Simulation von Quantensystemen kann dazu beitragen, die Phänomene zu erklären, die bestimmten physikalischen Prozessen zugrunde liegen. Diese Erkenntnisse wären unter anderem direkt auf die Entwicklung neuer Medikamente, leistungsfähigerer Batterien oder von Materialien für elektronische Schaltkreise übertragbar. "Wir könnten den Siedepunkt einer neuen chemischen Formel und ihre Phasenübergangspunkte bestimmen", erklärt Yihui Quek, die kürzlich zur Assistenzprofessorin für Informatik an der EPFL ernannt wurde.
Cybersicherheit oder Kryptografie sind weitere Bereiche, in denen Quantencomputer bedeutende Fortschritte ermöglichen könnten. Shors Algorithmus zeigt zum Beispiel, dass zukünftige Quantenmaschinen viel besser als heutige Computer in der Lage sein werden, sehr gängige Verschlüsselungen wie RSA zu überlisten. Obwohl diese Bedrohung hypothetisch und langfristig ist, hat sie die Entwicklung von Forschungsarbeiten zur Postquantenkryptografie angeregt. Parallel dazu werden Quantenverschlüsselungsmethoden geschaffen, um ultra-sichere Kommunikationskanäle zu etablieren.
Fehler korrigieren, ein Qubit nach dem anderen
Bevor das Quantencomputing den praktischen Anforderungen gerecht werden kann, muss es noch einige grosse Hürden überwinden. Das grösste davon ist die Anfälligkeit des Systems für Wechselwirkungen mit der äusseren Umgebung, die zu einem Verlust des Quantenzustands und damit zu einem Informationsleck führt. Um den Verlust zu mindern, ist es entscheidend, die Quanteninformationen durch die Implementierung von Fehlerkorrektursystemen zu schützen. "Das sind die wichtigsten Elemente, die wir entwickeln müssen", erklärt Vincenzo Savona. Glücklicherweise erleben wir auf diesem Gebiet einen stetigen Fortschritt"
Die Fehlerkorrektur erfordert tendenziell eine höhere Anzahl von Qubits. Die Komplexität der Quantencomputertechnologien - die Superleitung bei ultratiefen Temperaturen und komplexe photonische Systeme beinhalten - beschränkt Computer derzeit auf etwas mehr als 1000 Qubits. Obwohl einige Optimierungsprobleme bereits von der Leistung dieser kleinen Computer profitieren, erfordern viele kommerzielle Anwendungen 10.000 bis mehrere Millionen logische Qubits. Es bedarf noch vieler Fortschritte, bevor Computer dieser Grössenordnung mit ausreichender Qualität gebaut werden können.
An der EPFL arbeiten Wissenschaftler an einer Entwicklungsinfrastruktur für Quantensimulationen mit eingefangenen Ionen, versuchen, supraleitende Fluxonium-Qubits zu entwickeln und versuchen, Qubits mit neuen Resonatoren und mechanischen Systemen zu koppeln.
Eine neue Programmiersprache
Quantenalgorithmen sind ein weiterer sehr aktiver Entwicklungsbereich. Sie bestehen nicht einfach aus separaten Programmiersprachen, sondern stellen auch neue Schnittstellen zu Computern her. Die Entwicklung effizienter Quantenalgorithmen ist entscheidend, um praktische Anwendungen zu realisieren und einen echten Mehrwert gegenüber herkömmlichen Algorithmen zu erzielen. "Wir wissen noch nicht, wie wir einen Quantenalgorithmus herstellen können, der ein bestimmtes Problem beschleunigen kann", erklärt Yihui Quek. Die wissenschaftliche Gemeinschaft unternimmt weltweit Anstrengungen, um nach mehr quantenalgorithmischen Primitiven zu suchen, damit wir mehr Anwendungen für Quantencomputer finden."
"In den letzten zehn Jahren hat die EPFL ihre Forschungs- und Entwicklungskapazitäten im Bereich der Quantentechnologien und des Quantencomputings erheblich ausgebaut", schliesst Vincenzo Savona. In der Schweiz etabliert sich die Hochschule als akademischer Pol im Bereich der Quantenalgorithmen."
Quantencomputer, die von KI angetrieben werden, und KI, die von Quanten angetrieben werden
Künstliche Intelligenz kann komplexe Muster in Daten schneller und genauer erkennen, während Quantencomputer die Prinzipien der Quantenmechanik nutzen, um Informationen mit ungeahnter Effizienz zu verarbeiten. Wie wäre es, die Stärken beider Bereiche zu kombinieren?
Einige Experten sehen in der Quanteninformatik den nächsten Schritt in der Entwicklung der künstlichen Intelligenz. Sie sagen, dass Quantenprinzipien wie Superposition oder Verschränkung das Training von KI-Modellen beschleunigen oder eine effizientere Datenverarbeitung ermöglichen werden. In anderen Fällen könnten Quantencomputer der KI helfen, sich von ihren Beschränkungen zu befreien und Probleme frontal anzugehen, die herkömmliche Computer nicht lösen können - zum Beispiel bei der Suche nach neuen Medikamenten oder in den Materialwissenschaften. Die Quanteninformatik befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium. Manche Aussagen sind eher Wunschdenken als Fakten.
KI und maschinelles Lernen haben jedoch bereits gezeigt, dass sie für die Entwicklung des Quantencomputings in vielerlei Hinsicht von entscheidender Bedeutung sind. Beispielsweise hilft KI bei der Charakterisierung von Quantengeräten, bei der Bewertung der Leistung von Quantencomputern - im Grunde geht es darum, "einen Blick in die Quantensysteme zu werfen", um zu verstehen, was sie tun. Eine weitere Schlüsselanwendung der KI liegt in der Identifizierung von Quantenfehlern und ihrer schnellen Korrektur. Bei dieser besonders wichtigen Aufgabe zeigen Deep-Learning-Modelle eine deutlich bessere Leistung als herkömmliche Algorithmen. "Diese Fortschritte sind keine Spekulation, sondern als Bereich etabliert", sagt Giuseppe Carleo, Leiter des Labors für Quantencomputerwissenschaften an der EPFL.
Die EPFL ist bei der Entwicklung dieser Art von Synergien zwischen KI und Quantencomputing führend. So verschiebt das Labor für Quanteninformation und -computation , das von Zoë Holmes geleitet wird, die Grenzen der Assoziationen zwischen Quantencomputern und Algorithmen des maschinellen Lernens. Gleichzeitig entwirft das Team von Giuseppe Carleo Modelle für maschinelles Lernen, um Quantensysteme präzise zu simulieren. Dies geschieht "im gleichen Geist wie das AlphaFold-Programm von Google", erklärt der Forscher. Aber anstatt sie auf Proteine anzuwenden, verwenden wir unsere Lernmodelle, um die Schrödinger-Gleichung, die Seminalgleichung der Quantenmechanik, zu lösen und physikalische Systeme präzise zu simulieren."
KI für Quanten oder Quanten für KI? Im Zentrum für Quantenwissenschaften und -technik (QSE) an der EPFL setzen sich die Spezialisten disziplinübergreifend dafür ein, das Beste aus beiden Welten herauszuholen.
