Diese Studie, durchgeführt von Experten der Universität Chicago, Stanford, MIT und anderen Institutionen, bewertet den Stand der Quantenhardware. Sie zeigt, dass zwar funktionierende Systeme existieren, die wahren Hürden jedoch in ihrer großflächigen Skalierung liegen. Die Zusammenarbeit zwischen Akademien, Regierungen und Industrien hat Fortschritte beschleunigt, aber der Weg zu massentauglichen praktischen Anwendungen ist noch lang.
Der Quantenprozessor Majorana 1.
Quelle: Microsoft
Um die Fortschritte zu messen, verglichen die Autoren sechs wichtige Quantenplattformen wie supraleitende Qubits (siehe unten) und gefangene Ionen. Unter Verwendung von KI-Modellen ordneten sie jeder Ansatzstufe einen technologischen Reifegrad zu. Diese Bewertungen zeigen, dass selbst die fortschrittlichsten Prototypen weit von der Leistung entfernt sind, die beispielsweise für groß angelegte chemische Simulationen mit Millionen von Qubits und geringer Fehlerrate benötigt wird.
Einer der Mitautoren, William D. Oliver vom MIT, erklärt, dass elektronische Bauteile der 1970er Jahre, obwohl für ihre Zeit ausgereift, im Vergleich zu heutigen integrierten Schaltkreisen limitiert waren. Ähnlich bedeutet ein hoher technologischer Reifegrad heute nicht, dass die Quantenziele erreicht sind, sondern dass ein bescheidener Machbarkeitsnachweis erbracht wurde, der noch erhebliche Verbesserungen erfordert.
Die hauptsächlich identifizierten Hindernisse umfassen die Serienfertigung hochwertiger Geräte, die Handhabung von Verdrahtung und Signalen sowie die Steuerung der Systeme. Diese Probleme erinnern an die Herausforderungen der Computer-Ingenieure in den 1960er Jahren mit der "Tyrannei der Zahlen". Die Beherrschung von Leistung, Temperatur und automatischer Kalibrierung ist entscheidend für die Skalierung.
Die Analyse zeigt, wie wichtig es ist, aus der Geschichte der Computertechnik zu lernen. Innovationen wie die Lithographie oder neue Transistormaterialien brauchten Jahrzehnte, um aus dem Labor in die Industrie zu gelangen. Für Quantentechnologien sind ein systemischer Ansatz und gemeinsames wissenschaftliches Wissen entscheidend, ebenso wie Geduld, wie es bei vielen historischen Durchbrüchen der Fall war.
So schreitet die Quantentechnologie zwar rasch voran, aber ihr volles Potenzial wird von der Lösung anhaltender technischer Hindernisse und einer langfristigen Vision abhängen. Die Forscher rufen zu koordinierten Anstrengungen auf, um diese Versprechen in konkrete Realitäten zu verwandeln, ohne Hast.
Qubits: Die grundlegenden Einheiten des Quantencomputing
Qubits sind die Grundelemente von Quantensystemen, ähnlich Bits in der klassischen Informatik, aber mit einzigartigen Eigenschaften. Im Gegensatz zu Bits, die 0 oder 1 darstellen, können Qubits in einer Überlagerung von Zuständen existieren, was massiv parallele Berechnungen ermöglicht. Diese Eigenschaft wird genutzt, um schwierige Probleme wie Molekülsimulation oder Optimierung zu lösen, die die Fähigkeiten traditioneller Computer übersteigen.
Verschiedene Technologien werden zur Erzeugung von Qubits eingesetzt, jede mit ihren Vor- und Nachteilen. Beispielsweise funktionieren supraleitende Qubits bei extrem niedrigen Temperaturen, während gefangene Ionen stabil sind, aber eine präzise Steuerung erfordern. Spin-Defekte in Halbleitern bieten eine potenzielle Integration mit bestehender Elektronik, ihre Herstellung ist jedoch heikel.
Die Wahl einer Plattform hängt von der angestrebten Anwendung ab, wie Berechnung, Kommunikation oder Sensorik. Forscher arbeiten daran, die Kohärenz und Zuverlässigkeit von Qubits zu verbessern, also ihre Fähigkeit, Quanteninformation ohne Fehler zu erhalten. Fortschritte in Materialien und Steuerungstechniken sind entscheidend für die Realisierung praktischer, großmaßstäblicher Systeme.
Das Verständnis dieser Unterschiede hilft zu begreifen, warum die Skalierung so schwierig ist. Jede Art von Qubit stellt spezifische Anforderungen an Temperatur, Rauschen und Konnektivität, was die Vielfalt der in der Quantenforschung untersuchten Ansätze erklärt.
Die Technology Readiness Level (TRL) Skala im Quantenbereich
Die Technology Readiness Level Skala, oder TRL, ist ein Werkzeug zur Bewertung des Entwicklungsstands einer Innovation, vom theoretischen Konzept bis zur operativen Umsetzung. Sie umfasst neun Stufen, wobei Stufe 1 der Beobachtung grundlegender Prinzipien im Labor entspricht und Stufe 9 einer erprobten Technologie in realer Umgebung. Im Quantenbereich ermöglicht diese Skala einen objektiven Vergleich verschiedener Plattformen.
Die Anwendung der TRL auf Quantentechnologien zeigt, dass die meisten Systeme sich noch auf mittleren Stufen zwischen 4 und 6 befinden, wo funktionierende Prototypen existieren, aber Optimierungen benötigen. Beispielsweise haben supraleitende Qubits einen hohen TRL für Berechnungen erreicht, doch ihre Rohleistung bleibt für großindustrielle Anwendungen unzureichend.
Diese Bewertung hilft, kritische Schritte für die Skalierung zu identifizieren, wie die Verbesserung der Fertigung oder die Reduzierung von Fehlern. Sie warnt auch vor einer zu optimistischen Interpretation: Ein hoher TRL bedeutet nicht, dass die Technologie bereit für einen Masseneinsatz ist, sondern dass sie eine wichtige Entwicklungsstufe durchlaufen hat.
Im historischen Rückblick hatten Technologien wie Halbleiter bereits hohe TRL-Stufen in Epochen, in denen ihre Fähigkeiten begrenzt waren. Dies erinnert daran, dass der Weg zur Reife fortschreitend ist und konstante Iterationen sowie anhaltende Investitionen in Forschung und Entwicklung erfordert.