Das Fraunhofer-Institut hat gerade das Quantum System One vorgestellt, den ersten supraleitenden Quantencomputer des Landes, der von IBM gebaut wurde.
IBM Quantum
Fünf Jahre nachdem IBM seinen ersten Fünf-Qubit-Quantenprozessor für Benutzer für den Zugriff über die Cloud zur Verfügung gestellt hat, zeigt das Unternehmen nun den ersten Quantencomputer, den es physisch außerhalb seiner New Yorker Rechenzentren gebaut hat.
Auf der anderen Seite des Atlantiks haben Wissenschaftler des deutschen Fraunhofer-Instituts gerade das IBM Quantum System One vorgestellt – den ersten supraleitenden Quantencomputer des Landes, den Big Blue speziell für das Unternehmen bauen ließ.
Das Gerät, das einen der 27-Qubit-Falcon-Prozessoren von IBM enthält, ging vor wenigen Wochen online und wurde bereits Fraunhofer-Wissenschaftlern und einigen Institutspartnern zur Verfügung gestellt. Deutsche Wissenschaftler und Organisationen außerhalb von Fraunhofer können ab sofort monatliche Verträge abschließen, um den Computer auch zu Forschungs-, Bildungs- und Ausbildungszwecken zu nutzen.
Die Partnerschaft zwischen Fraunhofer und IBM wurde im vergangenen Jahr unterzeichnet und markiert den Beginn einer weltweiten Expansion der Quantenhardware von Big Blue. Das Unternehmen brachte das Quantum System One im Jahr 2019 auf den Markt und stellte es als den weltweit ersten kommerziellen Quantencomputer vor; Bisher haben Benutzer jedoch nur über die Cloud auf das Gerät zugegriffen, indem sie sich mit dem Quantum Computation Center von IBM in Poughkeepsie, New York, verbinden.
Die Hardware zum ersten Mal physisch an einen neuen Standort zu bringen, war nie einfach – und die globale COVID-19-Pandemie hat nur einige zusätzliche Hürden hinzugefügt. Typischerweise, erklärt Bob Sutor, Chef-Quantenexponent bei IBM, hätte das Unternehmen einige Schlüsselteile und ein Team von internen Spezialisten nach Deutschland geschickt, um den Quantencomputer zusammenzubauen, aber die Pandemie bedeutete, dass diesmal alles getan werden musste aus der Ferne.
Die Ingenieure von IBM mussten sich auf von der NASA inspirierte Methoden der Remote-Montage verlassen. „Wie trainiert man Leute, die Tausende von Kilometern entfernt sind, wenn man nicht einfach auf sie zulaufen und sagen kann: ‚Mach das‘?“ Sutor sagt ZDNet. „Wir mussten lokale Teams aus der Ferne schulen und mit ihnen remote zusammenarbeiten, um alles zusammenzubauen und diese Maschine zum Laufen zu bringen. Wir haben neue Techniken entwickelt, um diese Systeme tatsächlich um die Welt zu bringen, ohne dorthin reisen zu müssen. Und es hat funktioniert.“
Um deutsche Ingenieure aus dem lokalen IBM-Entwicklungslabor auszubilden, hat Sutors Team einen virtuellen Kurs in Quantenmontage zusammengestellt. Von der Installation des Kühlsystems des Computers bis zur Manipulation des Falcon-Prozessors wurde kein Detail ausgelassen und das Gerät erfolgreich gemäß dem ursprünglichen Zeitplan gestartet.
Für Fraunhofer bedeutet dies, dass das Institut und seine Partner nun Zugang zu einem hochmodernen Quantencomputer haben, der exklusiv für deutsche Organisationen gebaut wurde, anstatt auf den Cloud-Zugriff auf US-basierte Systeme angewiesen zu sein.
Seit der Bekanntgabe der Partnerschaft ist das Institut damit beschäftigt, potenzielle Anwendungen des Quantencomputings zu untersuchen und Quantenalgorithmen zu entwickeln, die einen Vorteil gegenüber Berechnungen mit klassischem Computing aufweisen könnten.
Dies liegt daran, dass Quantencomputer im Entstehen begriffen sind und trotz des enormen Potenzials, das die Forscher erwarten, vieles von dem Versprechen der Technologie noch theoretisch ist. Bestehende Quantenprozessoren wie IBMs Falcon haben zu wenige Qubits und eine zu hohe Fehlerrate, um groß angelegte Probleme zu lösen, die für Unternehmen relevant sind. Der Forschungsaufwand besteht daher darin, die Anwendungsfälle zu identifizieren, die für die Technologie geeignet sein könnten, sobald die Hardware bereit ist.
“Anwender müssen jetzt einsteigen, sie müssen verstehen, was Quantencomputer sind, wofür sie nützlich sind und was praktikable Ansätze mit Quantencomputern sind, die ihnen einen Vorteil gegenüber dem klassischen Computing verschaffen”, sagt Sutor.
Bei Fraunhofer haben Forscher eine Vielzahl von Anwendungen untersucht, die von der Portfoliooptimierung im Finanzbereich bis hin zur Logistikplanung für Hersteller reichen, bis hin zu Fehlerkorrekturprotokollen, die kritische Infrastrukturen und molekulare Simulationen verbessern könnten, um Chemie und Materialforschung voranzutreiben.
In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt erforscht das Institut beispielsweise, ob Quantenalgorithmen elektrochemische Prozesse in Energiespeichersystemen simulieren könnten – was wiederum dazu beitragen könnte, Batterien und Brennstoffzellen mit besserer Leistung und mehr zu entwickeln Energiedichte.
Für Annkatrin Sommer, Forschungskoordinatorin bei Fraunhofer, war die Wahl von IBM als Quantenpartner eine Selbstverständlichkeit. „Wir wollten unbedingt Spitzentechnologie einsetzen, bei der man so schnell wie möglich mit der Entwicklung von Algorithmen beginnen kann“, sagt sie ZDNet.
Das Angebot von IBM im Bereich Quantencomputing hat einige bedeutende Stärken. Seit der Veröffentlichung seines ersten Cloud-basierten Quantenprozessors hat das Unternehmen nun über 20 Quantum System One-Maschinen zur Verfügung gestellt, auf die mehr als 145 Organisationen weltweit zugreifen. Mit den Cloud-Prozessoren werden täglich zwei Milliarden Quantenschaltungen aufgebaut, und IBM ist auf dem besten Weg, bis zum Ende des Sommers eine Billion Schaltkreise zu durchbrechen.
Die Falcon-Prozessoren, die im Quantum System One verwendet werden, sind 27 Qubits, aber das Unternehmen arbeitet parallel an einem Chip namens Hummingbird, der 65 Qubits hat. Big Blue hat kürzlich eine Quantenhardware-Roadmap veröffentlicht, in der es zugesagt hat, bis 2023 über 1.000 Qubits zu erreichen – genug, um die ersten Ergebnisse des Quantencomputings zu sehen. Letztlich will IBM ein Millionen-Qubit-Quantensystem produzieren.
„Wenn ich ein Spielzeugsystem wegwerfen würde und sagen würde: ‚Los, spiel, ich weiß nicht, ob es jemals besser wird‘ – das würde niemanden interessieren“, sagt Sutor. “Die Leute brauchen das Vertrauen, dass die Maschinen und die Software und Apps darauf einigermaßen schnell besser arbeiten können als nur klassische Computer.”
Für ein Institut wie Fraunhofer ist die von IBM versprochene schnelle Skalierung der Quantentechnologien reizvoll. Und nicht nur die deutsche Organisation setzt auf Big Blue. In diesem Jahr wird auch ein IBM Quantum System One in Japan im Rahmen einer Partnerschaft mit der Universität Tokio installiert. und zurück in den USA hat die Cleveland Clinic gerade einen 500-Millionen-Dollar-Auftrag an IBM erteilt, um Quantenhardware vor Ort zu bauen.
Aber trotz IBMs Referenzen betont das Fraunhofer-Forschungsteam auch, dass es noch zu früh ist, um zu sagen, welcher Ansatz – oder Ansätze – des Quantencomputings zuerst Ergebnisse zeigen wird. Die Branche expandiert schnell, und da immer wieder neue Unternehmen auf den Quantenzug aufspringen, ist es schwer, zwischen Hype und Realität zu unterscheiden.
Aus diesem Grund untersucht Fraunhofer neben den Investitionen in die supraleitenden Qubits von IBM auch den Einsatz verschiedener Ansätze wie Ionenfallen oder Diamant.
„Aktuell ist noch nicht klar, welche Technologie die beste sein wird“, sagt Sommer, „und wir werden wahrscheinlich verschiedene Technologien für verschiedene Anwendungsfälle parallel arbeiten lassen. Es ist sinnvoll, Projekte mit unterschiedlichen Ansätzen zu starten und nach einiger Zeit zu messen, wie weit“ du hast und ob du deine Ziele erreicht hast. Dann entscheidest du, mit welcher Technologie du vorgehen sollst.”
Es bleibt, dass Deutschlands glänzendes neues Quantum System One Deutschland in eine günstige Position bringt, um in einem globalen Wettlauf um die Führung im Quantencomputing zu konkurrieren.
Die Bundesregierung hat bereits ein Förderprogramm in Höhe von 2 Milliarden Euro (2,4 Milliarden US-Dollar) zur Förderung von Quantentechnologien im Land aufgelegt, das zusätzlich zum 1 Milliarde Euro (1,20 Milliarden US-Dollar) Quanten-Flaggschiff der Europäischen Kommission kommt .
In den USA wurde dem National Quantum Initiative Act 2018 ein Budget von 1,2 Milliarden US-Dollar zugewiesen. Und China seinerseits hat keinen Hehl aus seinem Ehrgeiz gemacht, eine führende Quantensupermacht zu werden.
Die britische Regierung hat außerdem insgesamt 1 Milliarde Pfund (1,37 Milliarden US-Dollar) in ein nationales Quantentechnologieprogramm investiert. In den nächsten Jahren hofft das Land, dem Beispiel Deutschlands zu folgen und seinen allerersten kommerziellen Quantencomputer auf den Markt zu bringen, der von der kalifornischen Firma Rigetti Computing gebaut wird.
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