Japan hat den weltweit ersten voll funktionsfähigen hybriden Quanten-Supercomputer in Betrieb genommen. Am Riken-Institut in Saitama hat sich der leistungsstarke Fugaku mit dem Reimei, einem 20-Qubit-Quantenprozessor, verbunden und ein System geschaffen, das in der Lage ist, Berechnungen in Stunden zu lösen, die herkömmliche Supercomputer Jahre benötigen würden.
Japan entfacht die Zukunft: Der erste hybride Quanten-Supercomputer ist Realität
Bevor wir sehen, warum dieser Supercomputer so wichtig ist und warum seine Integration mit dem Prozessor ebenso entscheidend ist, ist es notwendig zu klären, was ein Quantencomputer ist und wie er funktioniert. Ich werde versuchen, es so einfach wie möglich zu erklären.
Traditionelle Computer (wie Ihr Smartphone oder Laptop) verwenden „Bits“, um Informationen zu verarbeiten. Jedes Bit kann nur 0 oder 1 sein, wie ein Schalter, der ein- oder ausgeschaltet werden kann. Quantencomputer hingegen verwenden „Qubits“ (also Quantenbits).
Was ist der Unterschied zwischen den beiden? Ein Qubit kann 0, 1 oder beides gleichzeitig sein. Dieser Zustand des „gleichzeitig zwei Dinge sein“ wird Superposition genannt und ist dank der Gesetze der Quantenphysik möglich.
Nun, Qubits können auf verschiedene Weise erstellt werden. Einige verwenden subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen. Andere verwenden Atome, die fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Wichtig ist, dass diese Systeme den Gesetzen dieses Wissenschaftszweigs folgen, der ein Mysterium bleibt, wenn auch nicht mehr lange.
Diese Qubits sind extrem empfindlich: Temperaturen, Vibrationen oder elektromagnetische Felder können sie leicht stören und bald werden wir sehen, warum dies so wichtig ist. Daher arbeiten Quantencomputer in superkontrollierten Umgebungen und bei extrem niedrigen Temperaturen.
Kehren wir nun zu uns und dem Fugaku zurück.
Konventionelle Quantencomputer haben Schwierigkeiten, autonom zu arbeiten, aufgrund der Instabilitäten, über die wir gerade gesprochen haben. Das Reimei-Fugaku-System überwindet diese Einschränkungen, indem es die Stabilität der klassischen Verarbeitung mit den einzigartigen Fähigkeiten der Quantenberechnung kombiniert.
Im Gegensatz zu qubitbasierten Systemen mit supraleitenden Qubits verwendet Reimei gefangene Ionen – elektrisch geladene Atome, die in elektromagnetischen Feldern schweben und mit Lasergenauigkeit manipuliert werden. Diese Technologie bietet stabilere und besser miteinander verbundene Qubits, wodurch Rechenfehler drastisch reduziert werden.
Der wahre technische Fortschritt liegt im „Ion Shuttling“-System: Die Qubits werden physisch innerhalb des Schaltkreises bewegt, was komplexere Operationen ermöglicht. Es ist ein bisschen so, als hätte man ein Schachbrett, auf dem die Figuren nicht an ihre Ausgangspositionen gebunden sind, sondern sich während des Spiels dynamisch rekonfigurieren können.
Aber wie geht der Supercomputer Fugaku mit dem entscheidenden Problem der quantischen Fehler um? Durch ein ausgeklügeltes Korrektursystem, das die physischen Qubits in „logische Qubits“ gruppiert und die Information auf mehrere Punkte verteilt. Daten zufolge hat er bereits die Fehlerrate um das 800-fache im Vergleich zu herkömmlichen Systemen reduziert.
Im Wesentlichen speichert das System die Information nicht in einem einzelnen physischen Qubit, sondern verteilt die Information auf mehrere physische Qubits, die zusammen ein „logisches Qubit“ bilden.
Eine Metapher, um dies gut zu verstehen, könnte ein Mehrheitsabstimmungssystem sein. Wenn drei Personen zwischen „Ja“ (1) und „Nein“ (0) entscheiden müssen und zwei „Ja“ sagen, während eine „Nein“ sagt, wird die endgültige Entscheidung „Ja“ sein. Ebenso, wenn einige physische Qubits innerhalb eines logischen Qubits einen Fehler erleiden, „stimmen“ die anderen Qubits dafür, die korrekte Information beizubehalten.
Die Bereiche, die zuerst von dieser Technologie profitieren werden, sind sicherlich die Materialphysik und die computergestützte Chemie, mit Anwendungen, die von der Entwicklung neuer Katalysatoren bis hin zur Entwicklung effizienterer Batterien reichen.
