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Intel hat heute das Quantum SDK (Software Development Kit) in der Version 1.0 freigegeben und will damit einen großen Schritt in eine breitere Zugänglichkeit des Quantum Computings machen. Intel stellt nun nach eigenen Angaben den vollen Funktionsumfang für eine Programmierung auf Basis des Quantum Computings zu Verfügung: Den C++ Quantum Compiler, die Quantum Runtime, über eine Simulation des Control-Chips bis hin zur Simulation der Algorithmen auf "konventioneller" Hardware.
Den Status, das Quantum Computing sei nur ein Mythos, haben wir sicherlich längst überschritten, dies bestätigte uns Anne Matsuura, Direktorin des Intel Labs für Quantum Applications & Architecture in einem Gespräch. Nun geht es darum die Weiterentwicklung von Hardware und Software voranzutreiben, um aus einer in der Forschung und Entwicklung beheimaten Technik eine solche zu machen, die marktreif ist und hier auch ihre Vorteile ausspielen kann.
Um den Quanten-Algorithmus testen zu können, kann ein Quantensystem simuliert werden. Ein Chip mit etwa 30 Qubits lässt sich heutzutage auf einem Notebook nachstellen. Allerdings erreicht diese Simulation nicht die Geschwindigkeit eines echtes Quantencomputers mit 30 Qubits. Mit jedem Qubit, der auf diese Art und Weise simuliert wird, verdoppelt sich die Anforderung an die Speicherkapazität. So kommt es auch dazu, dass für eine Simulation von 50 Qubits ein kompletter Compute Node eines Servers notwendig ist, der auch über eine entsprechende Speicherkapazität verfügt.
Die Entwicklung des Quantum Computings bewegt sich aktuell in einigen wenigen Segmenten. Dazu gehören Simulationen (Fluid Dynamics und Astrophysics), die Entwicklung neuer Materialien (Material Design) sowie die Kryptografie. Vor allem letztgenannter Bereich lässt aufhorchen und sorgt immer wieder für Befürchtungen, dass unsere aktuellen kryptografischen Systeme anfällig sind.
Die Herausforderungen aber sind noch gewaltig – auch abseits der Software. Intel hält sich bisher mit Verheißungen rund um die Anzahl der Qubits pro Chip und dergleichen zurück. Mit den Spin Qubits setzt man auf eine Technik, die relativ einfach zu fertigen ist und die auch in der Handhabung deutlich einfacher sein soll, als die klassischen Qubit-Chips der Konkurrenz. Die Spin Qubits können bei 1 K betrieben werden. Andere Systeme benötigen Temperaturen von 273,13 °C – also nahe am absoluten Nullpunkt bzw. nur 20 mK darüber. Dies macht den technischen Aufbau dieser extrem aufwendig.
Der Horse-Ridge-Controller übernimmt das Signal Processing für den Qubit-Chip. Die Komplexität der Quantencomputer bzw. die Bilder der Systeme, die sicherlich jeder kennt, erwachsen aus der Tatsache, dass jeder Qubit einzeln gesteuert und ausgelesen werden muss. Diese Command- und Control-Hardware befindet sich oft extern und wird nicht extrem heruntergekühlt – auch weil sie dies nicht verkraften würde. Das macht den Aufbau extrem aufwändig. Der Horse-Ridge-Controller hingegen kann nahe am heruntergekühlten Quanten-Chip eingesetzt werden und die elektromagnetische Mikrowellenpulse auf kurzem Wege übertragen. Horse Ridge ist dazu ausgelegt bei gerade einmal 4 K, also vier Kelvin über dem absoluten Nullpunkt, zu funktionieren.
Die Fertigung der Chips mit den Qubits darauf ist meist das, auf was sich die Berichterstattung konzentriert. Auch hier zeigt sich Intel bisher zurückhaltend. Zwar gibt Intel an, dass man die Qubits auf Standard-Wafern mit einem Durchmesser von 300 mm und unter Verwendung von EUV fertigen kann, wie viele Qubits dann aber letztendlich zusammenarbeiten können, hängt wohl auch vom Aufwand ab, den man betreiben möchte und kann. Eine Ausbeute von 95 %, wie Intel sie angibt, lässt sich ebenfalls nur schwer einschätzen. Das Testen der Qubits kann bereits auf Wafer-Level unter kryogenen Bedingungen erfolgen.
Der Aufbau der zusammenarbeitenden Chips kann liniear erfolgen. Hier befinden sich die Qubits wie an einer Perlenschnur aufgereiht hintereinander. In einer Art Leiter-Struktur liegen zwei dieser Reihen direkt nebeneinander. Zur Interkommunikation besser geeignet, wäre ein Grid – also ein Netz an Qubits. Dies aber ist wiederum in der Fertigung kein allzu einfaches Unterfangen. Derzeit konzentriert sich Intel daher auf die Leiter-Struktur.
Das Quantum Computing befindet sich noch in einer sehr frühen Phase seiner Entwicklung. Vor allem in der Hardware sind noch Durchbrüche zu erwarten, die auch notwendig sind, damit solche Systeme an Komplexität verlieren und hinsichtlich ihrer Kosten einfacher zu betreiben sind.
Für die Weiterentwicklung der Software bedarf es einer anderen Denkweise, als dies für klassisches Computing der Fall ist. Intel arbeitet daher mit zahlreichen Universitäten und Instituten, auch in Deutschland, zusammen, um die notwendige Vorbildung und die Bereitschaft entstehen zu lassen, sich mit Quanten-Algorithmen zu beschäftigen. Dies ist auch einer der Schwerpunkte der Arbeit von Anne Matsuura.
Es wird also sicherlich noch ein Jahrzehnt vergehen, bevor wir davon sprechen können, dass das Quantum Computing eine größere Relevanz besitzt. In der Zwischenzeit aber wird es sich als eine Art Beschleuniger-Hardware in gewissen Anwendungsfeldern etablieren. Intel will hier in der ersten Reihe dabei sein und treibt die Entwicklung von Hard- und Software entsprechend voran.