Quantencomputer – Game-Changer für morgen

Elementarteilchen, die sich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten können, verschränkte Teilchen, deren Eigenschaften sich gleichen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Die Quantenwelt führt uns in neue Dimensionen. Hier ist vieles möglich, was in unserer makroskopischen Alltagswelt unvorstellbar ist.

Als führender Halbleiterhersteller verfügt Infineon über Know-how in der Industrialisierung von Technologien. Infineon nutzt seine Kompetenzen, um Quantencomputing aus der Grundlagenforschung in die vielseitige Anwendung und zum wirtschaftlichen Erfolg zu führen und damit unsere Gesellschaft digital souveräner zu machen.

Infineon engagiert sich in drei Bereichen:

  • als Anbieter von Komponenten und Lösungen, um den Bau von wettbewerbsfähigen und skalierbaren Quantencomputern zu ermöglichen,
  • als Anwender, der Quantencomputer im Unternehmen und darüber hinaus vorteilsbringend einsetzt, und
  • als Experte für und führender Anbieter von Kryptocontrollern, die auch Angriffen von zukünftigen, leistungsfähigen Quantencomputern auf die verwendeten Verschlüsselungsalgorithmen widerstehen werden. Infineon treibt die Post-Quantum-Kryptographie

Quantencomputer - Game-Changer für viele Bereiche der Wirtschaft

"Wir möchten dazu beitragen und mithelfen, eine relevante Computerindustrie quantenbasiert zu begründen."

Praktische Ansätze für die Realisierung von Quantencomputern

Um Qubits herzustellen, zu manipulieren und auszulesen, werden zurzeit unterschiedliche Ansätze verfolgt. Sie eint der bislang sehr hohe und sehr spezielle technische Aufwand, der betrieben werden muss. Typische Rahmenbedingungen sind beispielsweise Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts oder starkes Vakuum – beides große Herausforderungen für einen Einsatz im Alltag.

Um die Fehleranfälligkeit der physikalischen Qubits zu beheben, kann man sie zu Ensembles zusammenschließen und so für komplexere Berechnungen nutzbar machen. Je nach Qualität braucht man dabei allerdings einige Dutzend bis zu 10.000 oder sogar noch mehr physikalische Qubits, um ein einziges fehlerkorrigiertes, logisches Qubit zu erzielen. Hierin liegt ein großer Teil der Herausforderung für die Entwicklung in den jeweiligen Ansätzen.

Drei Ansätze für Qubits werden auf den folgenden Reitern Ionenfallen-Qubits, Spin-basierte Qubits und supraleitende Qubits erklärt.

Was macht Quantencomputer so leistungsstark?

Quantencomputer machen heute unlösbare Aufgaben lösbar. Sie eröffnen den Zugang zu einer bisher unerreichbaren Rechenleistung.

Die kleinste Informationseinheit in der klassischen Computerwelt ist ein Bit. Es kann die zwei Werte oder Zustände 0 oder 1 annehmen. Beim Quantencomputing ist die kleinste Informationseinheit ein Qubit, das Zustände von 0 und 1 gleichzeitig annehmen kann. Diese Überlagerung der Zustände 0 und 1 wird auch Superposition genannt.

Zum Verständnis kann das Bild einer rotierenden Münze helfen: Ein klassisches Bit entspricht den beiden Seiten Kopf oder Zahl. Bei einem Qubit dreht sich die Münze, sodass ein Beobachter sowohl Kopf als auch Zahl sowie alle Teilbilder sehen kann.

Aus der besonderen Eigenschaft von Qubits, viele Zustände gleichzeitig einzunehmen, resultiert eine überragende Rechengeschwindigkeit: Berechnungen laufen nicht nacheinander, sondern können gleichzeitig erledigt werden.

Worin liegen die Herausforderungen für die Entwicklung des Quantumcomputing?

In der Überlagerung vieler verschiedener Zustände liegt nicht nur der Vorteil von Qubits, sondern auch die Herausforderung: Um sie für Berechnungen nutzen zu können, muss man sie präzise beeinflussen und auslesen können. Gleichzeitig müssen Qubits bestmöglich von der Außenwelt abgeschirmt werden, weil sie sonst sehr leicht ihren Zustand ändern. Das kommt fast der Quadratur des Kreises gleich.

Eine andere Herausforderung ist es, die Parallelität der Qubit-Zustände für allgemeine Berechnungen nutzen zu können. Es gibt bisher keine Art von Betriebssystem und Programmiersprache, mit der die Rechenleistung von Quantencomputern einfach für allgemeine Aufgaben genutzt werden kann. Bislang gibt es erste rudimentäre Quantencomputer und zugehörige Spezialsoftware, die für einzelne, sehr konkrete und eng umrissene Aufgaben entwickelt wurden.

Stand der Technik

Einige Quantencomputer gibt es bereits. Sie sind allerdings noch kompliziert zu bedienen, nicht besonders leistungsstark, ziemlich störungsanfällig und eigentlich nur für akademische Fragestellungen zu gebrauchen. Mit physikalischen Qubits im zwei-, bald wahrscheinlich niedrigen dreistelligen Bereich bringen sie noch nicht den angestrebten Leistungssprung. Die Schätzungen variieren, ab wann Quantencomputer in der Breite zum Einsatz kommen. Mit allgemeinen praxisrelevanten Anwendungen rechnen Expert*innen Richtung Ende dieses Jahrzehnts. Für spezifische Anwendungsfälle scheint aber auch früher schon ein Einsatz denkbar.

Industrialisierung und Anwendung im Blick

Mit seinem Beitrag zur Quantencomputer-Entwicklung unterstützt Infineon von Anfang an eine erfolgreiche Kommerzialisierung dieser revolutionären Technologie. Infineon will dazu beitragen, Quantencomputing aus der Grundlagenforschung in die Anwendung und zum wirtschaftlichen Erfolg zu führen. (Deshalb engagiert sich Infineon auch als Gründungsmitglied von QUTAC im Konsortium führender deutscher Unternehmen, um Quantencomputing auf die Ebene der großflächigen industriellen Anwendung zu heben.)  
Ein besonderer Schwerpunkt für Infineon liegt auf der industriellen Skalierbarkeit der Technologie. Bei Infineon arbeiten herausragende Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen. Mit ihrer Kompetenz in Chip-Design, Material, Produktion und Hardware-naher Software verfügt das Unternehmen über wesentliches Know-how, das die Entwicklung des Quantencomputing entscheidend voranbringen kann.

Erkenntnisse in einer neuen Dimension

Wenn die Quantentechnologie echte, einzigartige Vorteile für Anwendungen bringt, kann die Entwicklung von Quantencomputern zu einer Erfolgsgeschichte werden. Beispiele für Aufgaben, die mit klassischen Computern kaum oder gar nicht zu lösen sind, gibt es viele. Zum Beispiel:

  • Simulationen chemischer Reaktionen auf atomarer und molekularer Ebene,
  • gezielter Entwurf von Medikamenten
  • Entwicklung neuartiger Materialien zum Beispiel für Leichtbau, Katalysatoren oder Batterieelektroden
  • Analyse komplexer Daten quasi in Echtzeit, etwa fürs Machine-Learning
  • Optimierung komplexer Logistikprozesse
  • Analyse von Finanzvorgängen

Infineon selbst arbeitet permanent an der Optimierung der Auslastung seiner Produktion und seiner Logistikprozesse, um bestmöglich die Kundennachfrage zu befriedigen. Viele Daten und Informationen fließen in diese Optimierung ein. Quantencomputing könnte mit seiner Rechenleistung mehr Daten aus Abläufen, von Sensoren und Aktoren sowie weiteren Rahmenbedingungen auswerten und so zu weiterer Optimierung beitragen

Herausforderungen für die Sicherheit

Die Rechenleistung von zukünftigen Quantencomputern wird heute gängige Verschlüsselungssysteme knacken können. Damit Systeme und Daten auch im Quantencomputing-Zeitalter sicher bleiben, müssen quantensichere Kryptographieverfahren schon heute entwickelt werden. Infineon treibt diese Post-Quantum-Kryptographie als einer der Pioniere aktiv voran.