Was ist Quantencomputing überhaupt? Im Unterschied zum klassischen Computer rechnet der Quantencomputer nicht auf der Basis elektrischer, sondern quantenmechanischer Zustände. Sehr verkürzt formuliert: Der klassische Computer arbeitet mit zwei Zuständen, die sich gegenseitig ausschließen: Es gibt entweder 0 oder 1. Die Quantentechnologie kombiniert die beiden, indem sie die Effekte von Überlagerung und Verschränkung kleinster Teilchen unserer Materie nutzt. Resultat: Rechenschritte laufen nicht mehr nur seriell – hintereinander – ab, sondern parallel.
„Das ist ein gewaltiger Sprung“, erklärt der Präsident der deutschen Fraunhofer Gesellschaft Reimund Neugebauer im Juni 2021 in einem Interview mit der Frankfurter Allgemeinen Zeitung. Habe man einen Rechner mit 100 Qubits und einen mit 101 Qubits, dann erbringe Letztgenannter nicht nur etwas mehr Leistung, sondern die doppelte. Qubit – auch Qbit oder Q-Bit genannt – steht für Quantenbit. Es ist die kleinstmögliche Speichereinheit im Quantencomputing und das Maß, das analog zu Bit verwendet wird.
Das Zeitalter des Quantencomputing hat begonnen.
In den 1990ern geht es mit der neuen Technologie los und 2016 spricht sich IBM zu, das Zeitalter des Quantencomputing eingeläutet zu haben. Nicht zu Unrecht, denn das Unternehmen macht 5- und 15-Qubit-Systeme zum ersten Mal der Öffentlichkeit zugänglich und setzt damit einen Meilenstein, was die Nutzung der superschnellen Rechner betrifft. Schon eineinhalb Jahre später wird die 50-Qubit-Marke geknackt.
Am 16. Juni 2021 weihen die Fraunhofer Gesellschaft und IBM den ersten kommerziell verfügbaren Quantencomputer Europas ein. Das Medienecho ist groß. Die Technologie wird zwischenzeitlich von allen Seiten als Schlüsseltechnologie erkannt und entsprechend finanziell gefördert. Bislang steckt sie noch in den Kinderschuhen und ihre Weiterentwicklung lässt einen Riesensprung bei Rechenkapazitäten und Anwendungen erwarten.
Ihren großen Vorteil spielt die neue Technologie bei komplizierten Analysen mit vielen Daten und Variablen aus. Strömungssimulationen bei Flugzeugen gehören dazu oder die Simulation von Maschinendaten. Die gesamte Weltraum- oder Klimaforschung profitiert von leistungsfähigen Computern, die komplexe Zusammenhänge blitzschnell rechnen. Eine mögliche Anwendung findet sich in der medizinischen Forschung. Wenn Datenbanken mit 100.000 oder mehr Wirkstoffen durchforstet werden müssen, um herauszufinden, wie sie in welcher Kombination möglicherweise auf ein bestimmtes Virus wirken, sind das komplexe Rechnungen. Da der Quantencomputer parallel rechnen kann, schafft er das in einer wirtschaftlich sinnvollen Zeit. Anders gesagt: Wofür der klassische Computer Tage, Wochen oder Monate benötigt, braucht der Quantencomputer ein oder zwei Stunden.
Der Quantencomputer ist eine Diva.
Keine neue Technologie ohne besondere Herausforderung. Nicht ganz zufällig gibt es das Maß des «Quantenvolumens». Es sagt etwas über die Qualität, Stabilität, Robustheit und Fehleranfälligkeit eines solchen Systems aus. Die Hardware des Quantencomputers ist extrem störanfällig; jede Erschütterung, jede Veränderung der Umgebung kann das System gefährden. Der sogenannte Quantenzustand der Atome muss exakt kontrolliert werden, denn Effekte von Überlagerung und Verschränkung von Atomen funktionieren nur unter ganz bestimmten Bedingungen.
Für manche Komponenten des Computers muss die Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt liegen. Kühlgeräte, die das schaffen, beruhen auf Verdünnungskühlung. VAT liefert für diese Kühleinheiten, im Fachbegriff «dilution refrigerators» genannt, Vakuum- und Gasdosierventile, die den besonderen Anforderungen nach einer besonders präzisen und zuverlässigen Funktion gerecht werden. Ein besonderes Merkmal der VAT Lösung sind dabei Mehrventilbaugruppen, in denen mehrere Ventilfunktionen in einem kompackten Gehäuse zusammengefasst sind. Dies reduziert das Einbauvolumen, reduziert die Zahl möglicher Leckagestellen und vereinfacht die Montage.
Kurz gesagt: Ohne kontinuierliche Kühlung auf Temperaturen nahe 0 Kelvin (-273,15 °C) und Ultrahochvakuum gibt es keinen funktionsfähiger Quantencomputer. Lange standen die neuen Rechner nur in elfenbeinturmartiger Abgeschiedenheit, um die diffizilen Bedingungen, unter denen sie arbeiten können, zu gewährleisten. Zukünftig sollen robustere Geräte breite Anwendung in Datencentern finden und sind mehr denn je auf Hightech-Ventile angewiesen.