Bauteilmangel bremst Quantencomputerbauer aus

Weil supraleitende Kabel, unterkühlte Kühlschränke und andere exotische Komponenten nur schwer erhältlich sind, kommt die Entwicklung der neuen Technologie nur langsam voran.

Lesezeit: 2 Min.
In Pocket speichern
vorlesen Druckansicht Kommentare lesen 5 Beiträge

(Bild: University of California, Berkeley/Keegan Houser)

Von
  • Martin Giles

Blake Johnson verbringt viel Zeit damit, über Dinge wie supraleitende Kabel und unterkühlte Kühlschränke nachzudenken. Als Leiter der Abteilung Quantentechnologie beim US-Startup Rigetti Computing, das Quantencomputer herstellt, ist Johnson dafür verantwortlich, die erforderlichen Komponenten für die Maschinen aufzutreiben. Das ist gar nicht so einfach, weil durch die stark gestiegene Nachfrage nicht immer alle verfügbar sind. Die ehemals esoterische, experimentelle Technologie ist auf dem besten Weg, zur Mainstream-Anwendung zu werden, die von großen Unternehmen wie IBM, Google und Chinas Alibaba sowie ehrgeizigen Startups wie Rigetti und IonQ eingesetzt wird.

Mehr Infos

Zum Beispiel kann es viele Monate dauern – manchmal sogar ein Jahr oder länger –, spezieller Verdünnungskühlgeräte habhaft zu werden, die auf Temperaturen kälter als im Weltraum gekühlt werden können. Nur so lassen sich die Quantenbits oder Qubits für die Quantencomputern erzeugen. Auch der Erwerb der speziellen Verkabelung zum Übertragen von Mikrowellensignalen, die Qubits steuern, ist laut Johnson ein Engpass. Diese langen Vorlaufzeiten für einige Komponenten behindern allerdings den Fortschritt. „Es verlangsamt die Teams, die nicht parallel zueinander an der Forschung auf diesem Gebiet arbeiten können“, klagt Irfan Siddiqi von der University of California in Berkeley (UC Berkeley).

Ein Hauptgrund für diese Kopfschmerzen ist, dass Quantencomputer nicht viel von der für klassische Maschinen entwickelten Infrastruktur verwenden können. „Sie basieren auf exotischen Prinzipien, und das bedeutet, dass sie wirklich exotische Hardware benötigen“, sagt IonQ-Geschäftsführer Chris Monroe, der auch einen Lehrstuhl an der University of Maryland innehat.

Im Gegensatz zu klassischen Bits, die entweder eine 0 oder eine 1 darstellen können, ähneln Qubits eher Atomen oder Elektronen, die beide Quantenzustände 0 und 1 gleichzeitig einnehmen können und nur dann einen bestimmten Wert annehmen, wenn sie gemessen werden. Sie können sich gegenseitig auch über einen fast mystischen Prozess namens Verschränkung beeinflussen. Diese Eigenschaften könnten eines Tages dazu führen, dass eine Quantenmaschine sogar den leistungsfähigsten klassischen Supercomputer übertrifft.

Das Erstellen und Verwalten von Qubits ist jedoch immer noch eine gewaltige technische Herausforderung. Rigetti verwendet dabei ähnlich wie Google und IBM auf extreme Temperaturen abgekühlte supraleitende Drähte, durch die dann Elektronen fließen, was die Notwendigkeit von Verdünnungskühlschränken erklärt. Das Problem ist, dass diese riesigen Zylinder, die zwischen 500.000 und eine Million Dollar kosten können, Sonderanfertigungen sind. Den Forschern zufolge produzieren nur wenige Unternehmen wie BlueFors in Finnland und Oxford Instruments in Großbritannien hochwertige Zylinder.

Die Kühlschränke erfordern darüber hinaus auch eine Kombination von Gasen für die Unterkühlung, zu denen auch das schwer erhältlich Helium-3-Isotop gehört. Normalerweise fällt es als Nebenprodukt von Nuklearforschungs- und Waffenprogrammen von Regierungen an, die die Verfügbarkeit streng kontrollieren. Das Gas ist so selten, dass die für einen Kühlschrank erforderliche Menge bis zu 40.000 Dollar kosten kann.

Zu den Mangelwaren gehören auch jene supraleitenden Kabel, die die Signale zur Steuerung von Qubits übertragen. Dafür müssen sie schlechte Wärmeleiter sein, damit sie den empfindlichen Quantenzustand von Qubits in den Kühlschränken nicht stören. Johnson zufolge kann sie allerdings nur der japanische Hersteller Coax Co. liefern.

Zwar sind nicht alle Quantencomputer auf Kryotechnik angewiesen, doch auch dann gibt es Herausforderungen. IonQ fängt beispielsweise einzelne Atome in elektromagnetischen Feldern auf einem Siliziumchip in einer Ultrahochvakuumkammer ein. Zur Kontrolle der atomaren Qubits dienen Laser. Damit dieser Prozess funktioniert, muss der Chip kleine Goldablagerungen aufweisen. Allerdings sind Standard-Silizium-Produktionsanlagen nicht darauf ausgerichtet. Deshalb hat IonQ ein Team zusammengestellt, um eigene Designs zu entwickeln und das Interesse an ihrer Herstellung zu wecken.

UC-Berkeley-Forscher Siddiqi nutzt Konferenzen wie die DesignCon dafür, eine große Veranstaltung für elektronische Bauteile im Silicon Valley Ende Januar dafür, bei Unternehmen mehr Interesse für die Quantenbranche zu wecken. Der neue nationale Plan der USA zur Förderung der Quanteninformationswissenschaft und ein ähnlicher für Europa könnte ebenfalls Anreize schaffen bei potenziellen Lieferanten schaffen.

Nicht zuletzt könnten auch Startups helfen. Delft Circuits, ein junges Unternehmen in den Niederlanden, entwickelt bereits Technologien zur Überwachung und Kontrolle von Qubits, einschließlich einiger Spezialkabel für die Übertragung von Mikrowellensignalen. Technologievorstand Jakob Kammhuber zufolge können aktuelle Quantencomputer etwa 100 Qubits kontrollieren. Diese Zahl müsse jedoch noch dramatisch wachsen, damit die Maschinen wirklich nützlich sind. Für ihre Steuerung werde es schnell neue innovative Hardwarelösungen brauchen.

(vsz)