Quantum Processing Unit (QPU)

Was ist eine Quantum Processing Unit (QPU)?

Eine Quantum Processing Unit (QPU) – zu deutsch Quantenprozessoreinheit – ist ein Hardwaregerät, das Quantenmechanik wie Superposition und Verschränkung nutzt, um komplexe Berechnungen an Quanteninformationen durchzuführen, die in Quantenbits oder Qubits gespeichert sind. QPUs sind die wichtigsten Hardwarekomponenten für den Entwurf und Bau von Quantencomputern. Eine QPU besteht aus zwei wesentlichen Elementen:

• Quantenchip. Die Grundlage jeder QPU ist ein Quantenchip. Ein Quantenchip ist ein mehrschichtiger Halbleiter, der aus supraleitenden Komponenten anstelle von herkömmlichen Transistoren hergestellt wird, die auf herkömmlichen CPU-Chips verbaut sind. Diese supraleitenden Komponenten versorgen die Qubits mit Quanteninformationen und Informationen zur Quantenfehlerkorrektur (QEC). QPUs können Qubits auf der Grundlage isolierter Elektronen oder Lichtphotonen implementieren, je nach Ausrichtung des QPU-Designs.
• Steuerelektronik. Der Quantenchip verfügt außerdem über zusätzliche Schaltkreise zur Steuerung und zum Auslesen von Qubits, zur Verstärkung und Verwaltung von Steuersignalen sowie zur Bewältigung der unvermeidlichen Interferenzen, die zu Dekohärenz und QEC führen können. Zur Steuerelektronik gehören auch traditionellere Prozessorelemente, die Befehle speichern und Daten mit dem Memory austauschen.

Obwohl QPUs im Allgemeinen weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen als herkömmliche Prozessoren, können Quantencomputer mit QPUs einen erheblichen Strombedarf haben und in der Herstellung und im Betrieb unglaublich teuer sein. QPUs selbst mögen auf dem Chip weniger Wärme erzeugen, aber das Gesamtsystem (inklusive Kühlung und Steuerelektronik) hat einen sehr hohen Energiebedarf und erzeugt teils mehr Wärme als klassische Systeme, da die Qubits auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden müssen.

Diese Komplexität ergibt sich aus den besonderen Anforderungen an die Manipulation und Messung subatomarer Teilchen. Quantencomputer benötigen derzeit komplexe Elektronik oder optische Steuerungen, um Qubits zu verarbeiten. Das System erfordert in der Regel ein vollständiges Vakuum, einen starken elektromagnetischen Schutz und leistungsstarke Kühlsysteme, um die Qubits auf nahezu den absoluten Nullpunkt zu kühlen und eine geeignete Umgebung zu schaffen.

Wie funktionieren QPUs in der Quanteninformatik?

Prozessoren, die auf klassischer digitaler Elektronik basieren, verarbeiten und berechnen mit Bits, die programmatische Befehle und Daten darstellen.

Im Gegensatz dazu arbeiten QPUs mit den Konzepten der Quantenphysik. Sie basieren auf Qubits, die Superpositions- und Verschränkungsprinzipien nutzen. Dadurch kann ein Qubit eine logische 1, eine logische 0 oder einen beliebigen Quantenwert zwischen diesen beiden darstellen. Die Daten innerhalb eines Qubits werden durch die Ausrichtung oder den Spin seiner subatomaren Teilchen dargestellt.

Stellen Sie sich ein Qubit als Kugel vor, und die Daten innerhalb des Qubits sind eine Linie – oder ein Vektor –, die sich vom Mittelpunkt der Kugel zu einem Punkt auf dem Umfang der Kugel erstreckt. Wenn sich der Vektor ändert, ändert sich die Position dieser Linie und repräsentiert unterschiedliche Daten.

Die QPU kann 100 oder mehr Qubits speichern und verwalten. Sie ist für die Wartung, Kontrolle und Fehlerkorrektur jedes einzelnen dieser äußerst empfindlichen Qubits verantwortlich. QPU-Designs erzeugen Qubits mit Hilfe von Elektronik, Magnetfeldern oder Licht. Beispielsweise nutzen supraleitende Qubits sogenannte Josephson-Kontakte, um quantenmechanische Effekte in supraleitenden Schaltkreisen zu erzeugen. Lichtbasierte Qubits basieren auf einzelnen Photonen, die mit Lasern erzeugt und manipuliert werden. Zu den verschiedenen Arten von Qubits, die in QPUs erzeugt werden, gehören die folgenden:

• Neutrale Atome: Diese elektrisch ungeladenen Atome können mit Laserstrahlen in optischen Gittern gefangen und manipuliert werden. Sie eignen sich besonders für die Skalierung und die präzise Steuerung von Quantenoperationen.
• Photonen sind Lichtteilchen, die genutzt werden können, um Quanteninformationen über große Entfernungen durch Glasfaserkabel zu übertragen. Diese Art von Teilchen wird in der Quantenkommunikation und Quantenkryptografie verwendet.
• Quantenpunkte (Quantum Dots) sind kleine Halbleiter, die mit einem einzigen Elektron als Qubit arbeiten. Diese bieten Skalierbarkeit und Kompatibilität mit der bestehenden Halbleitertechnologie und ermöglichen einfachere Schnittstellen.
• Supraleitende Qubits werden aus supraleitenden Materialien hergestellt, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten. Diese Qubits ermöglichen hochleistungsfähige Berechnungen und eine präzise Steuerung.
• Eingeschlossene (Trapped) Ionen sind positiv geladene Atome (Ionen), die mit elektromagnetischen Feldern in einer Falle gehalten werden. Sie zeichnen sich durch sehr lange Kohärenzzeiten und hochpräzise Steuerungsmöglichkeiten aus.

Letztendlich hängt die Wahl des Qubits von den Rechenaufgaben und der Ausrichtung des QPU-Herstellers ab.

QPUs enthalten in der Regel eine Reihe von Quantenlogikgattern (Quantum Logic Gate), die zur Verarbeitung von Qubit-Daten verwendet werden. Es gibt viele Arten von Quantengattern, die jeweils einen Baustein bilden, der ein anderes Verarbeitungsergebnis für das Qubit und seine Daten liefert. Tatsächlich bieten Quantengatter eher einen mathematischen Prozess als ein einfaches logisches Ergebnis. Dadurch können viele Quantengatter zu komplexen Arrays zusammengesetzt werden, die komplexe mathematische Algorithmen darstellen. Diese Algorithmen sind in erster Linie für die Durchführung von Berechnungen auf Qubits verantwortlich. Die resultierenden Ergebnisse können über herkömmliche Schaltungen gemessen und dargestellt werden, wo herkömmliche Computer die resultierenden Informationen aufzeichnen und beschreiben können.

QPUs im Vergleich zu GPUs und anderen Prozessoren: Ein konzeptioneller Vergleich

Die QPU hat ihren Platz im Spektrum verschiedener Prozessoren, darunter CPUs, GPUs und NPUs. Jeder Prozessortyp kann verschiedene spezialisierte Verarbeitungsaufgaben innerhalb unterschiedlicher Computerdesigns unterstützen. Zu den wichtigsten Merkmalen der einzelnen Prozessoren gehören die folgenden:

• CPU. Die herkömmliche Central Processing Unit (CPU) ist eine Allzweckarchitektur, die sich auf die Verarbeitung sequenzieller Daten und die Ausführung linearer Aufgaben wie Datenverschiebung und Steuerungs- oder I/O-Management konzentriert. CPU-Designs haben sich weiterentwickelt und sind sehr komplex geworden, um den sich ändernden Anforderungen wie Multimedia- und Virtualisierungsoptimierungen gerecht zu werden. CPUs sind jedoch in der Regel nicht als Rechengeräte konzipiert und ihre mathematischen Fähigkeiten sind begrenzt, sodass spezialisierte Prozessoren erforderlich sind.
• GPU. Die Graphics Processing Unit (GPU) entstand aus dem Bedarf an besserer Visualisierung, beispielsweise für 3D-Spiele und die Visualisierung von Geschäftsdaten, wie zum Beispiel in AutoCAD. GPUs bieten spezielle mathematische Optimierungen und parallele Verarbeitungsfähigkeiten, die sich ideal für mathematische Aufgaben in der Grafik, für wissenschaftliche Berechnungen und für verschiedene Aufgaben des maschinellen Lernens (ML) eignen. GPUs werden in Quantencomputersystemen oft für klassische Kontroll- und Auswertungsaufgaben verwendet, aber nicht für die eigentliche Quantenverarbeitung.
• NPU. Die Neural Processing Unit (NPU) wurde entwickelt, um komplexe Aufgaben mit bestimmten Arten von mathematischen Berechnungen auf eine Weise zu bewältigen, die die Funktion des menschlichen Gehirns nachahmt. NPUs werden in erster Linie in ML- und KI-Verarbeitungssystemen eingesetzt. Obwohl es derzeit keine nennenswerten Anwendungen für NPUs in Quantensystemen gibt, spricht nichts dagegen, dass Quantensysteme, die für ML- und KI-Aufgaben entwickelt wurden, NPUs einsetzen könnten, um einige Aufgaben der QPU zu übernehmen.
• QPU. Die QPU wurde entwickelt, um groß angelegte Quantenalgorithmen unter Verwendung von Quanteninformationen auf Basis von Qubits zu verarbeiten. Ein Prozessor, der nach Quantenprinzipien arbeitet, kann komplexere und probabilistische Berechnungen durchführen als die leistungsfähigsten Supercomputer mit herkömmlichen Prozessoren.

Es ist wichtig zu beachten, dass QPUs nicht dazu gedacht sind, CPUs oder andere spezialisierte Prozessortypen zu ersetzen. Stattdessen bieten QPUs ein leistungsstarkes Werkzeug zur Bewältigung komplexester und anspruchsvollster Rechenaufgaben. Daher können QPUs mit anderen Prozessortypen verwendet werden und sind häufig in HPC-Plattformen mit GPUs und CPUs integriert.

Mögliche Anwendungsfälle und Einsatzbereiche für QPUs

Objektiv betrachtet sind QPUs im Vergleich zu herkömmlichen Prozessortypen lediglich eine weitere Art von Spezialprozessoren, die bestimmte Rechenprobleme besser lösen können als andere Prozessortypen. Der Hauptvorteil von QPUs liegt in ihrer Fähigkeit, hochkomplexe mathematische Probleme zu lösen, die für Computer mit anderen Prozessortypen nahezu unmöglich (oder zumindest unpraktisch) sind. Dadurch eignen sich QPUs für einige der anspruchsvollsten Rechenanwendungen und -fälle, darunter die folgenden:

• Quantensimulation. Durch die Modellierung und Simulation komplexer Quantenpartikelsysteme können Forscher Quantenverhalten und -ergebnisse vorhersagen, bevor sie reale Quantenvorrichtungen entwerfen und bauen.
• Quantenkryptografie. QPUs können leistungsstarke neue kryptografische Algorithmen entwickeln und implementieren, um Daten zu sichern und Unternehmen und Nutzer zu schützen.
• Pharmazeutische und chemische Forschung. QPUs in Quantencomputern können das Verhalten komplexer Moleküle und biochemischer Reaktionen simulieren. Dies kann die Entwicklung neuer Medikamente erheblich beschleunigen und die Wirksamkeit neuer medizinischer Behandlungen validieren. In der chemischen Forschung können QPUs nach gefährlichen oder zerstörerischen chemischen Reaktionen suchen, Prozesse zur Verringerung des CO2-Ausstoßes verbessern und Aufgaben ausführen, die für herkömmliche Computer zu komplex sind.
• Materialforschung. QPUs können eingesetzt werden, um die physikalischen Eigenschaften von Materie besser zu erforschen und zu verstehen. Dadurch lassen sich komplexe Herausforderungen in Bereichen wie der Entwicklung neuer, leichterer Materialien für die Luftfahrt, der Effizienzsteigerung bei der Solarenergiegewinnung und der Herstellung leistungsfähigerer Batterien bewältigen.
• Machine Learning und künstliche Intelligenz. ML- und KI-Modelle entwickeln sich bereits zu komplexen Einheiten mit erheblichen Rechenanforderungen und hohem Stromverbrauch. QPUs können Quantenalgorithmen ausführen, die ML erheblich beschleunigen und KI dabei helfen, alternative Lösungen für komplexe Lernprobleme zu finden.

Wie ist der aktuelle Stand der QPU-Entwicklung?

Die Entwicklung von QPUs schreitet rasch voran. Dieser Fortschritt wird vor allem durch die steigenden Anforderungen an herkömmliche Computersysteme und das Potenzial für weitere Fortschritte in komplexen Forschungsbereichen vorangetrieben.

Die QPU-Hardware wird immer besser. Führende Technologieunternehmen wie D-Wave Systems, Google, IBM, Intel, IQM, Nvidia, QuEra, Pasqal und Rigetti Computing entwickeln QPUs, die Quantenalgorithmen ausführen können. QuantWare hat den weltweit ersten kommerziell erhältlichen supraleitenden Prozessor auf den Markt gebracht. Darüber hinaus werden die Software und die Entwicklungsplattformen für die Erstellung von Quanten-Software weiterentwickelt und es wird an der Standardisierung von Quantenprogrammiersprachen gearbeitet.

Trotz der Fortschritte gibt es bei der Entwicklung von QPUs noch erhebliche Herausforderungen. Frühe QPUs sind laut, was zu hohen Fehlerraten und einer begrenzten Qubit-Kohärenz führt. Die Skalierbarkeit von QPUs ist ebenfalls begrenzt, was die praktischen Anwendungsmöglichkeiten der QPU-Technologie einschränkt. Auch die Software-Tools, die für die Entwicklung, Fehlerbehebung, das Testen und die Implementierung von Quantenalgorithmen benötigt werden, müssen weiterentwickelt werden, um die sich entwickelnden QPUs auf dem Markt nutzen zu können.

Wann werden QPUs allgemein verfügbar sein?

Kommerzielle QPUs kommen zwar auf den Markt, aber der Weg zu kommerziellen Geräten wird wahrscheinlich lang und beschwerlich sein.

Die Natur des Quantencomputings erfordert sorgfältig kontrollierte Laborbedingungen mit Vakuum, starken magnetischen Einschlussfeldern und Flüssigkeitskühlung, um die Qubit-Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu senken. Diese aktuellen Umgebungsanforderungen werden den Einsatz von QPUs wahrscheinlich auf Quantencomputer beschränken, die in speziellen Einrichtungen wie staatlichen Labors und großen öffentlichen Cloud-Anbietern stehen, wo Quantencomputing als Dienstleistung für die kommerzielle Öffentlichkeit angeboten werden kann.

Ebenso sind QPUs spezielle Prozessortypen, die für die Lösung einer begrenzten Anzahl komplexer Probleme entwickelt wurden. Genauso wie kommerzielle Geräte nicht allein auf einer GPU oder NPU basieren würden, ist es unrealistisch zu erwarten, dass QPUs in Heimcomputern oder Smartphones zum Einsatz kommen – es gibt keinen persönlichen Bedarf für die Rechenleistung, die QPUs bieten. Selbst der Einsatz in Unternehmensrechenzentren ist für jedes Unternehmen mit enormen Kosten und erheblichen betrieblichen Herausforderungen verbunden.

Letztendlich werden QPUs und andere Komponenten für den Bau von Quantencomputern zwar heute bereits angeboten, doch ist davon auszugehen, dass ihre Verbreitung und Leistungsfähigkeit in absehbarer Zukunft begrenzt bleiben werden.