Wann wird Quantentechnik anwendbar?
Quantencomputer sollen künftig eine Lösung sein, wenn Supercomputer an der Komplexität von Anwendungen scheitern. Die ersten Technologien der Quantentechnik und von Quantencomputern sind bereits anwendungstauglich. Allerdings scheitern sie noch an der Effizienz und Skalierung.
Gegenwärtiger Stand der Quantentechnologie
Die Grundlagen der Quantenphysik wurden vor ungefähr 100 Jahren etabliert. Die ersten Anwendungen gibt es inzwischen. Quantencomputer sind den Supercomputern bereits bei einigen Aufgaben überlegen.
Quanteninformationen werden aus dem Orbit und über Glaskabel schon durch verschränkte Photonen transportiert. Die ersten Quanten-Netzwerke, Quantensensoren und Quantenmodems werden bereits getestet.
Forscher von der University of Chicago unter David Awschalom untersuchten den Reifegrad von sechs verschiedenen Quantentechnologien und stellten fest, wo Herausforderungen und Hürden bestehen. Die grundlegenden physikalischen Konzepte sind bereits etabliert.
In einigen Gebieten gibt es erste praktische Anwendungen der Quantentechnologie. Physiker David Awschalom spricht von einer Umbruchphase, die vergleichbar mit der Anfangszeit des Transistors ist. Die Quantentechnologie könnte wichtige Lehren aus der Computergeschichte ziehen.
Vergleich von Quanten-Plattformen
Das Team von David Awschalom hat sechs führende und teilweise konkurrierende Quantentechnologien untersucht. Die Forscher nutzten für die Bewertung Technikmeldungen, Fachpublikationen und eine KI-gestützte Auswertung, um den Technologie-Reifegrad (TRL) zu bewerten.
Zur Bewertung des TRL entwickelte die NASA in den 1980er Jahren eine Skala mit neun Stufen:
- TRL 1-2 für theoretische Entwicklung des Funktionsprinzips
- TRL 3-4 für erste Laborversuche
- TRL 6-7 für Prototypen
- TRL 8-9 für erfolgreichen Einsatz
Das Team untersuchte Qubits in Form von supraleitenden Quantenpunkten und auf Basis von Ionenfallen oder neutralen Atomen. Quantenpunkte in Halbleitern, Fehlstellen im Diamantgitter oder rein photonische Quantenplattformen wurden bewertet.
Den Reifegrad der Technologien stuften die Forscher in Quantencomputing, Quantensensoren, Quantenkommunikation und Quantensimulation ein.
Ergebnisse der Untersuchungen
Supraleitende Qubits mit TRL 6-8 und Ionenfallen mit TRL 6-7 sind beim Einsatz als Quantencomputer am weitesten fortgeschritten. Neutrale Atome mit TRL 6-8 und Ionenfallen mit TRL 6-7 sind bei der Quantensimulation führend.
Photonische Systeme haben mit TRL 8-9 einen weiten Vorsprung bei der Quantenkommunikation. Quantensensoren auf Basis von Spindefekten im Diamant werden von den Forschern ähnlich eingestuft. Ionenfallen kommen noch auf TRL 6-8 in dieser Kategorie.
Auch wenn eine Quantentechnologie bereits einen hohen Reifegrad hat, bedeutet das nicht, dass sie fertig erforscht ist und das Ziel erreicht.
Die Forscher konnten damit lediglich die grundsätzliche Einsatzbarkeit demonstrieren. Um das volle Potenzial zu erreichen, muss sie skaliert werden.
Quantentechnologien noch nicht ausgereift
Die Quantentechnik ist in ihrem heutigen Stand vergleichbar mit dem Computerzeitalter in den 1970er Jahren. Damals hatten Halbleiter-Chips einen Reifegrad von 7-9, doch waren sie kaum vergleichbar mit den heutigen integrierten Schaltkreisen. Ein hoher TRL-Wert ist ein Anzeichen, dass es sich lohnt, eine Technologie weiter zu optimieren.
Die heutigen Prototypen der Quantencomputer können über eine Cloud genutzt und für Forschung und Bildung eingesetzt werden. Eine kommerzielle Nutzung ist jedoch noch nicht möglich.
Für die Quantenkommunikation gibt es erste kommerzielle Anwendungen. Ein Quanteninternet oder eine echten Quantenkryptografie erfordern noch Weiterentwicklungen. Damit eine umfassende Kommunikation auf Quantenbasis möglich ist, müssen Quanten-Netzwerke geschaffen werden, die deutlich leistungsfähigere Qubit-Arrays als die heutigen verbinden können.
Skalierung als Hürde
Damit eine breite Einsetzbarkeit der Quantentechnologien möglich ist, kommt es auf die Skalierung an. Ein Quantencomputer benötigt Millionen Qubits und eine geringe Fehlerquote, damit alltagstaugliche Anwendungen möglich sind.
Probleme bestehen nach Ansicht der Forscher bei der Verkabelung, beim Energiebedarf, bei den Materialien und Produktionsmethoden sowie bei der Kalibrierung und Kontrolle. Trotz neuer Materialien muss eine kostengünstige Massenproduktion auf Basis gängiger Fabrikationsmethoden entwickelt werden. Wichtig ist die Kontrolle von Fehlern und Manipulationen.
Für Manipulation, Kontrolle und Auslesen der Signale sind bei den meisten Plattformen ein bis drei Kanäle pro Qubit notwendig. Jedes weitere Qubit erfordert zusätzliche Leitungen. Das ist nicht mehr praktikabel, wenn Millionen Qubits genutzt werden.
Multiplexing ist eine Alternative. Eine Leitung versorgt multiple Qubits. Eine weitere Lösung wäre eine stärkere Integration der Kontrollelektronik in die Quantenarrays.
Für die Quantentechnologien muss auch der Energiebedarf effizienter werden. Oft müssen die Quantensysteme bis knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Das ist mit einem hohen Stromverbrauch verbunden. Leistungsstarke Laser werden hingegen bei Systemen auf Basis neutraler Atome oder von Ionenfallen benötigt. Größe und Strombedarf werden zu wichtigen Faktoren.
Modulprinzip als Lösung
Die Modularität könnte eine Lösung der Probleme sein. Das Skaling könnte nach Ansicht der Forscher mit einer modularen Anlage der Systeme in machbare Stücke aufgeteilt werden. Verkabelung, Strombedarf, Kontrollhürden und Größen wären damit auf die Einzelmodule begrenzt.
Mit dem Parallelbetrieb könnten mehrere unterschiedliche Quantensysteme miteinander verknüpft werden. Das würde die Fehlerkontrolle und Effizienz verbessern. Es gibt bereits erste Versuche des modularen Quantenrechnens.
