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D-Wave liefert Quanten-Computer mit 2.000 QuBits für 15 Millionen US-Dollar aus

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Im September 2015 vermeldete das kanadische Unternehmen D-Wave einen neuen Quantensprung bei der Entwicklung des Quanten-Computers. Erstmals konnten ein Quanten-Prozessor mit 1.000 QuBits in Betrieb genommen werden. Nun hat das Unternehmen einen weiteren Schritt gemacht und präsentiert mit dem D-Wave 2000Q einen Quanten-Rechner, der 2.000 QuBits in sich vereint. Damit möchte D-Wave die Rechenleistung abermals verdoppelt haben. Ein solcher Prozessor wird als Quantum Processing Unit oder kurz QPU bezeichnet.

Wer sich einen solchen, weiterhin experimentellen Rechner, anschaffen möchte, sollte zum einen 15 Millionen US-Dollar übrig, aber auch einen günstigen Stromanbieter an der Hand haben. Der Quanten-Prozessor wird, damit er funktioniert, auf nur 15 mK über dem absoluten Temperaturnullpunkt heruntergekühlt. Dieser liegt bei -273,2 °C, erreicht wird eine solch niedrige Temperatur mittels flüssigem Helium. Doch nicht nur Helium ist notwendig, sondern auch unglaublich viel Energie für weitere Kühleinheiten der zahlreichen Schichten, die den Prozessor umhüllen. Ein D-Wave Q2000 verbraucht daher im Betrieb 15.000 W. Der Prozessor befindet sich in einem 3 m hohen Schrank, der ein Volumen von 65 m³ benötigt. Der D-Wave Q2000 ist also zunächst nicht viel mehr als ein riesiger Kühlschrank, in dem eine QPU arbeitet.

Was ist das Quanten-Computing?

Quanten-Computer arbeiten anders als uns bekannte binäre Hardware. Bevor wir aber zu den QuBits kommen, noch einmal ein Blick auf unser binäres System, auf dem die aktuelle Technik arbeitet. Dort wird mit Transistoren gearbeitet, die offen oder geschlossen sein können. Ein offener Transistor repräsentiert eine 0, ein geschlossener Transistor eine 1.

Ein Quantencomputer arbeitet aber nach dem Prinzip der Quantenmechanik und darin anhand der Superposition. Eine gleiche physikalische Größe kann sich dabei überlagern, ohne sich dabei gegenseitig zu behindern. Ein QuBit kann also gleichzeitig eine 1 und eine 0 repräsentieren. Die genauen physikalischen Vorgänge dahinter beschreibt die Quantenmechanik. Für die Beschreibung des Quantencomputers bliebt wichtig, dass ein Bit oder QuBit eben nicht nur 0 oder 1 sein kann, sondern 0 und 1 gleichzeitig. Binär ausgedrückt werden über ein QuBit 00, 01, 10 und 11 repräsentiert. Mit einer Steigerung der QuBits steigt somit auch die Rechenleistung des Systems exponentiell an.

Soweit mag dies noch alles einleuchtend sein und bringt die Frage auf, warum Computer nicht heute schon so arbeiten. Doch der Aufbau eines Quantencomputer und der einzelnen QuBits gestaltet sich sehr schwierig. Sobald die Informationen aus einem QuBit ausgelesen werden, werden diese dekohärent – sind danach also verändert und müssten für eine Speicherung erneut geschrieben werden. Aber dies ist nur eine der Hürden, die noch genommen werden müssen.

Geschichte der Entwicklung

D-Wave in seiner ersten Version wurde 2007 gebaut und verwendete 16 QuBits. 2013/2014 war man bei 512 QuBits angelangt, wobei jeder QuBit einen kleinen superleitenden Schaltkreis darstellt. Dieses System wird dazu extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt und ermöglicht so einen Stromfluss in beide Richtungen. Über Algorithmen und das erkennen bestimmter Muster bei Temperaturerhöhungen wird die Berechnung ausgeführt. Physikalisch sind auch hier viele Prozesse gleichzeitig im Gange, die sich nur schwer erklären lassen. D-Wave ist vermutlich auch noch kein echter Quanten-Computer im Sinne der Definition, es werden noch keine echten Berechnungen ausgeführt, sondern er wird dazu verwendet zu verstehen, wie dies früher oder später funktionieren könnte.

Die Wissenschaft streitet sich also, ob das, was D-Wave seit Jahren entwickelt, auch wirklich auch Quanten-Computer ist oder nicht. D-Wave präsentiert gerne Benchmarks, in denen die QPU Aufgaben um den Faktor 1.000 oder gar 10.000 schneller erledigt, als dies klassische Server tun. Die hier verwendeten Algorithmen sind aber speziell auf die Möglichkeiten der QPU ausgelegt. Dazu wird die Rechenaufgabe in eine Art topographische Karte überführt, die durch die QPU besser verstanden und letztendlich auch berechnet werden kann.

Solche speziellen Berechnungen sind zum Beispiel Quantum Monte Carlo (QMC). QMC eignet sich besonders für die Simulation von Molekülen. Ein weiteres Beispiel ist der Hamze-de Freitas-Selby (HFS) Algorithmus. Allesamt sind diese Berechnungen keine einfachen Fließkommaberechnungen, auf die aktuelle CPUs und GPUs ausgelegt sind. Daher ist ein Vergleich der Rechenleistung auch nur schwer möglich. Dies bezieht sich auch auf die Energieeffizienz, denn nur wenn ein D-Wave 2000Q bei einem Verbrauch von 15.000 W auch um den Faktor 10.000 effizienter als eine GP100-GPU von NVIDIA ist, kann D-Wave auch hinsichtlich der Effizienz mithalten.

Über Sinn und Unsinn von Quanten-Computern streitet sich also die Wissenschaft und demnach ist nicht abzusehen, ob sie in absehbarer Zeit eine wichtige Rolle im Computing spielen werden oder nicht.