Die Hauptkategorien von Quantencomputerhardware sind supraleitende, Ionenfallen-, Neutralatom-, photonische, Silizium-Spin-, Diamant- und topologische Quantencomputer. Obwohl sich ihre spezifischen Designs stark unterscheiden können, bleibt das grundlegende Prinzip weitgehend gleich. Optik und Photonik spielen zudem eine entscheidende Rolle für viele Kernfunktionen der verschiedenen Hardwareansätze. Dazu gehören Auslesen, Kühlung und Steuerung, modulare Vernetzung und die Integration in Rechenzentren.

Photonen- und Bilddetektoren für Lesesysteme

Viele Methoden zum Auslesen der Lösung eines mit einem Quantencomputer gelösten Problems verwenden Photonendetektoren oder Bilder.

Ironischerweise ist die Einzelphotonendetektion im photonischen Quantencomputing selbst oft so hochsensibel, dass supraleitende Nanodrähte dafür eingesetzt werden. Daher werden Anstrengungen unternommen, supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) in photonische integrierte Schaltungen (PICs) zu integrieren. PsiQuantum, eines der führenden Unternehmen im Bereich des photonischen Quantencomputings, hat angekündigt, dass seine Roadmap die Forschung an Hochtemperatur-SNSPDs auf Basis von herstellbaren Metallen umfasst. Dies eröffnet die Möglichkeit, präzisere Einzelphotonendetektoren für Auslesezwecke im photonischen Quantencomputing zu entwickeln und die derzeitigen Kompromisse zwischen Kühlleistung und Platzbedarf in diesem Teilbereich zu reduzieren. Diese Innovationen könnten entscheidend dazu beitragen, das Potenzial des fehlertoleranten, großflächigen photonischen Quantencomputings auszuschöpfen, dessen „heiße Qubits“ im Vergleich zu supraleitenden Qubits eine geringere Infrastrukturkomplexität bieten sollen.

Andererseits ist die einfache Anwendbarkeit etablierter Bildgebungs- und Mikroskopieverfahren für das Auslesen ein entscheidender Vorteil von Modalitäten wie Diamant-, Neutralatom- und Ionenfallenplattformen. Hamamatsu bietet beispielsweise eine Reihe kommerziell erhältlicher Photomultiplier-Röhren (PMTs) und Elektronenvervielfacher-CCDs (EM-CCDs) für Ionenfallen- bzw. Neutralatom-Anwendungen an. Die von Unternehmen wie Quantum Brilliance XeedQ verfolgte Diamantplattform könnte sogar noch einfachere CMOS-Kameras (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) nutzen. Die Fähigkeit dieser Modalitäten, etablierte Bildgebungsverfahren für das Auslesen zu verwenden, könnte sich erneut als entscheidend für einen Skalierungsvorteil gegenüber Wettbewerbern erweisen. Dies gilt insbesondere, da bei einigen anderen Modalitäten der Verdrahtungsaufwand für das Auslesen mit der Anzahl der Qubits steigt, während die gleichzeitige Bildgebung eines gesamten Qubit-Satzes deutlich effizienter ist.

Lasersteuerung und Kühlung

Wussten Sie, dass Laser auch eine Alternative zur Kryotechnik für die Kühlung von Qubits darstellen? Während Laser für viele Menschen Hochleistungsstrahlen sind, die mit Hitze, Zündung, Schneiden oder Kommunikation in Verbindung gebracht werden, sind sie in der Welt des Quantencomputings vor allem für ihre Fähigkeit bekannt, Atome auf sehr niedrige Energiezustände zu reduzieren.

Die Methoden der Laserkühlung variieren je nach Ansatz des Quantencomputings und den Präferenzen der beteiligten Unternehmen. Im Kern geht es jedoch darum, Atome oder Ionen mithilfe mehrerer Laser, die in entgegengesetzte Richtungen gleichstark feuern, einzufangen oder abzuschnüren. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist, dass er mit handelsüblichen Komponenten realisiert werden kann und bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Insgesamt gilt die Laserkühlung als deutlich energie-, kosten- und ressourcenschonender als die für Quanten-Supercomputer benötigten Kryostaten.

Laser in Quantencomputern dienen sowohl der Steuerung und Manipulation von Qubits als auch der Kühlung. In diesem Zusammenhang gibt es jedoch Hinweise in der Branche, dass die Effizienz elektrischer und digitaler Steuerungsmethoden hinsichtlich Systemgenauigkeit (geringer Fehler) und Skalierbarkeit überlegen sein könnte. Ein Beispiel hierfür ist das britische Unternehmen Oxford Ionics, ein Pionier in der Entwicklung elektronischer Verfahren zur Steuerung von Qubits in Ionenfallen. Diese Strategie sowie andere, die digitales Auslesen befürworten, wie beispielsweise SEEQC, unterstreichen möglicherweise die Tatsache, dass trotz der Vorteile von Photonik und Optik in vielen Fällen der Wunsch besteht, möglichst viele Quantencomputerkomponenten in Gehäuse zu integrieren, die in bestehenden Halbleiterfabriken hergestellt werden können.

Modulare Verbindungen und Integration in Rechenzentren

Da sich die Entwickler von Quantencomputern weiterhin auf Skalierbarkeit konzentrieren, werden vermehrt Forderungen nach dem Aufbau wiederholbarer, modularer und miteinander vernetzbarer Systeme laut. Die Gründe für diesen Ansatz sind vielfältig. Zum Teil ähnelt er der erfolgreichen Skalierbarkeitsrealisierung klassischer Computer, und es gibt auch Hinweise darauf, dass er mit modernsten Ansätzen zur Fehlerkorrektur übereinstimmt.

Die Herausforderung des modularen Ansatzes besteht jedoch darin, dass die Herstellung zufriedenstellender Verbindungen zwischen Systemen nicht trivial ist. Die Aufrechterhaltung der Verschränkung zwischen benachbarten Qubits auf einem einzelnen Chip ist bereits recht schwierig, geschweige denn zwischen Gruppen von Qubits, die über mehrere Systeme (seien es Racks oder Kryostaten) verteilt sind.

Doch die Photonik bietet erneut eine Lösung. NuQuantum hat eine Quantennetzwerkeinheit (QNU) entwickelt, die mithilfe von Photonik Verschränkung über mehrere Prozessoren verteilt. Das Unternehmen hat außerdem kürzlich eine Quantenphotonik-Schnittstelle (QPI) angekündigt – eine Technologie, die letztlich eine Verbindung zwischen Materie und Licht, Qubits und Photonen herstellt. Prototypen dieser QPU wurden bereits in das Vakuumsystem für gefangene Atome von Infleqtion integriert und getestet.

Marktausblick

Generell bietet die Konkurrenz zwischen Unternehmen und Qubit-Modellen – oder der Fokus auf das Rennen um die Vorherrschaft im Quantenbereich – ein grundlegendes Potenzial für alle Bereiche der Optik und Photonik. Dies umfasst die Anforderungen an Auslesen, Kühlung, Steuerung und Konnektivität, die in nahezu jedem aktuell verfolgten Ansatz relevant sind.

Doch selbst unabhängig von den individuellen Designs der Quantencomputer der einzelnen Unternehmen besteht ein grundlegender Bedarf an deren Integration in bestehende Netzwerke aus Rechenzentren, klassischen Computern und Kommunikationsnetzen. Photonen sind bereits weltweit das bevorzugte Datenübertragungsmedium, und für den kommerziellen Erfolg von Quantencomputern ist eine Form der Photonik unerlässlich.

Der Markt für Quantencomputing birgt das Potenzial, die Wirkstoffforschung, die Batterieentwicklung, die Logistik mit mehreren Variablen, das autonome Fahren, die präzise Bewertung von Vermögenswerten und vieles mehr exponentiell zu beschleunigen. Basierend auf umfangreicher Primär- und Sekundärforschung, einschließlich Interviews mit Unternehmen und der Teilnahme an zahlreichen Konferenzen, bietet dieser Bericht eine detaillierte Bewertung konkurrierender Quantencomputing-Technologien: supraleitendes, Silizium-Spin-, photonisches, Ionenfallen-, Neutralatom-, topologisches, Diamantdefekt- und getempertes Quantencomputing. IDTechEx präsentiert zudem unabhängige „Quantum Commercial Readiness“-Bewertungen, um den Fortschritt der Quantencomputing-Branche im Vergleich zur Entwicklung der klassischen Computerbranche zu analysieren. Der gesamte adressierbare Markt für Quantencomputing spiegelt sich im Hardware-Absatz im Zeitverlauf wider, wobei die Weiterentwicklung der Fähigkeiten und das Cloud-Zugriffsmodell berücksichtigt werden. Prognosen zufolge wird der Markt für Quantencomputing bis 2045 die 10-Milliarden-Dollar-Marke überschreiten, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 30 %.

Autorin: Dr. Tess Skyrme, leitende Technologieanalystin bei IDTechEx