München, Starnberg, 20. März 2023 - Qubits könnten künftig in denselben Produktionsanlagen wie herkömmliche Mikrochips hergestellt werden; Silizium-Spin-Qubits...
Zum Hintergrund: Quantencomputing kann komplexe Probleme exponentiell schneller berechnen als herkömmliche Rechenverfahren. Es verspricht damit, die Industrie zu revolutionieren und kritische Probleme in den Bereichen Klimawandel, Chemietechnik, Medikamentenentwicklung, Finanzen oder Luft- und Raumfahrt zu lösen. Auch wenn es noch ein weiter Weg zur Marktreife ist, so erzielte Intel nach eigenen Angaben bereits wichtige Fortschritte im Bereich Quantencomputing: 2020 machte Intel mit Horse Ridge II dazu einen wichtigen Schritt hin zur Skalierbarkeit von Quantencomputing. Im Oktober vergangenen Jahres ist es Intel gelungen, Quantenprozessoren (QPUs) auf Basis von Spin-Qubits in Silizium mit hoher Ausbeute und Gleichmäßigkeit herzustellen; ein weiterer Entwicklungsschritt hin zu mehr Skalierbarkeit und Kommerzialisierung dieser Technologie.
Anmerkung: Während ein heute verfügbarer Rechner mit Bits arbeitet, die den Wert Null oder Eins annehmen, nutzt ein Quantencomputer als kleinste Recheneinheit sog. Quantenbits (Qubits), bei denen es auch Werte dazwischen gibt. Als Qubits eignen sich z.B. die Eigendrehimpulse von Atomkernen (Spin); diese richten sich relativ zu einem Magnetfeld entweder nach oben (Up) oder nach unten (Down) aus. Durch Verschränkung von Qubits untereinander entstehen gemischte Quantenzustände, die es ermöglichen, viele Rechenschritte parallel auszuführen. Quantenbits oder "Qubits" können also gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen und ermöglichen so ein extrem hohes Maß an Leistung und Recheneffizienz. Allerdings sind Qubits äußerst empfindlich. Jede Störung durch Hochfrequenzrauschen oder unbeabsichtigte Messungen, Beobachtungen, Berührungen oder Einwirkungen führen dazu, dass der Quantenzustand in einen klassischen Zustand zurückfällt. Damit die Gefahr durch das Rauschen eliminiert wird, müssen Qubits bei einer Temperatur von etwa 20 Millikelvin (-273,13 °C) arbeiten.
Intel kann auf Grund jahrelanger Forschung nach eigenen Angaben bereits auf umfassendes Fachwissen in den Bereichen Siliziumtransistordesign, Großserienfertigung und fortschrittlichste Fertigungstechnologien zurückgreifen, um auf Basis dieses Know-hows "Hot Silicon Spin Qubits" zu entwickeln -wesentlich kleinere Recheneinheiten, die bei höherenTemperaturen arbeiten und sich ähnlich wie Transistoren verhalten. Intel konzentriert sich auf die Suche nach Möglichkeiten zur Herstellung von Silizium-Spin-Qubits auf Siliziumwafern und arbeitet an der Weiterentwicklung der Prozesstechnologie zur Herstellung von Qubits. Im April 2022 führte eine Zusammenarbeit zwischen Forschern von Intel und QuTech zur Entdeckung eines Qubit-Herstellungsverfahrens, mit dem mehr als 10.000 Arrays mit mehreren Silizium-Spin-Qubits auf einem einzigen Wafer hergestellt werden konnten- mit einem Ertrag von mehr als 95 % (s.a. Bild unten).
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass Qubits in denselben Produktionsanlagen wie herkömmliche Mikroprozessoren hergestellt werden könnten- ein wichtiger Schritt in Richtung Skalierbarkeit von Quantenchips. Auf der Hardware-Ebene hat Intel einen maßgeschneiderten Testchip für Spin-Qubits entwickelt, den Horse Ridge Cryogenic Quantum Control Chip der zweiten Generation. Zusätzlich wurde ein neues Werkzeug namens Cryoprober entworfen. Damit sollen 300-Millimeter-Silizium-Spin-Qubit-Wafer in großem Maßstab getestet und charakterisiert werden können, was zur Beschleunigung von Forschung und Kommerzialisierung führt. Auf der Software-Ebene wurde eine Open-Source-Betaversion des Intel Quantum Software Development Kit (SDK) entwickelt und auf der Intel DevCloud veröffentlicht. Entwickler:innen wird dadurch ermöglicht, mit der Programmierung von Quantenanwendungen zu beginnen und künftige Einsatzmöglichkeiten der Technologie auf Intel-Hardware zu erforschen.
Das Deggendorfer Institut für Technologie bei München z.B: nutzt Intel's SDK, um ein strömungsdynamisches Problem zu untersuchen, das für die Aerodynamik und Hydrodynamik wichtig ist. Im Januar 2023 veranstaltete der Entwickler eine Intel Quantum Computing Challenge am Deggendorfer Institut für Technologie. Die Einreichungen untersuchten Quantenanwendungsfälle unter Verwendung der Betaversion des Intel Quantum SDK, einschließlich Bildentrauschung und realistischer Bilderzeugung, sowie die Lösung unstrukturierter Suchprobleme. Leidos, ein weiterer Betanutzer, erforscht danach Anwendungen wie maschinelles Lernen mit Quanten, die Simulation von Materialien und astrophysikalische Probleme wie Quantenteleportation, schwarze Löcher oder Wurmlöcher...
Das Bild zeigt James Clarke, Director of Quantum Hardware bei Intel
(1) Quelle / Link > https://www.intel.com/content/www/us/en/research/quantum-computing.html?wapkw=quantum%20computing
Intels Engagement umfasst die Entwicklung des gesamten Quanten-Industrie Ökosystems über den vollständigen Compute Stack. Das Unternehmen hat dazu mehrere akademische Partner und arbeitet nach vorliegenden Angaben eng mit der Technischen Universität Delft (TU Delft) und der Niederländischen Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung (TNO) sowie mit Regierungsbehörden zusammen. Darunter befindet sich auch Q-NEXT, das vom Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums geleitet wird. Darüber hinaus ist Intels Direktor für Quantenhardware Mitglied im Vorstand des White House Office of Science and Technology Policy (OSTP) und der National Quantum Initiative des US-Energieministeriums (DOE).
Post-Quantum-Kryptografie:
Auch wenn Quantencomputer noch Jahre entfernt sind, müssen bereits heute mögliche Bedrohungen berücksichtigt werden. Hacker können schon jetzt verschlüsselte Daten ausspähen und speichern, um die Verschlüsselung später zu knacken. Ziel ist es laut Intel, bis 2030 für das sogenannte „year 2 quantum"(Y2Q) bereit zu sein. In diesem Zusammenhang hat das Unternehmen für die Post-Quantum-Kryptografie (PQC) einen stufenweisen Ansatz entwickelt. Dazu gehört die Steigerung der Robustheit von Intel-Produkten, damit eine quantenresistente Vertrauensbasis geschaffen wird. Außerdem liegt danach ein großer Fokus auf die Zusammenarbeit mit Normungsgremien wie dem National Institute of Standards and Technology (NIST), um Technologien zur Sicherung von Web-Transaktionen zu entwickeln.
Querverweise:
Unser Beitrag > Stabilere Zustände zur Speicherung von Quanteninformation: KIT entwickelt neuartige Qubits
Unser Beitrag > Eine kurze Geschichte der Kryptografie - Qvr Trfpuvpugr are Xelcgbtensvr
Unser Beitrag > IBM z16 Ankündigung: Echtzeit-KI Transaktionsverarbeitung und quantensicheres System