Intel steigt mit 12 in das Quantencomputing-Pferderennen ein

May 28, 2023

Doch bevor die Quantenphysik die Datenverarbeitung revolutioniert, müssen Intel und seine Konkurrenten lernen, weitaus leistungsstärkere Maschinen herzustellen.

Der Tunnel Falls-Quantencomputerchip von Intel beherbergt 12 Qubits, eine relativ kleine Anzahl der Quantencomputer-Verarbeitungselemente, aber es ist ein Schritt in Richtung viel größerer Prozessoren.

Intel hat einen Quantenprozessor namens Tunnel Falls gebaut, den es Forschungslaboren anbieten wird, in der Hoffnung, die revolutionäre Computertechnologie in die Praxis umzusetzen.

Der am Donnerstag angekündigte Tunnel Falls-Prozessor beherbergt 12 der grundlegenden Datenverarbeitungselemente, die Qubits genannt werden. Dies ist ein wichtiger Schritt im Bestreben des Chipherstellers, Quantencomputer-Hardware zu entwickeln, von der er hofft, dass sie die Konkurrenz irgendwann übertreffen wird.

Anders als die meisten seiner Konkurrenten stellt Intel seine Qubits aus einzelnen Elektronen her, die in Computerchips untergebracht sind, die denen ähneln, die Millionen von PCs antreiben. Das Unternehmen hinkt hinterher. Konkurrenten wie IBM, Google, Quantinuum und IonQ bieten seit Jahren Quantencomputer an, aber Intel ist davon überzeugt, dass die Bindung seiner Erfolge an die konventionelle Chip-Technologie letztendlich schnellere Fortschritte ermöglichen wird.

„Für mich ist es selbstverständlich, die bereits entwickelten Tools zu verwenden, anstatt neue Tools entwickeln zu müssen“, sagte Jim Clarke, Direktor für Quantencomputing-Hardware bei Intel Labs. Intel stellt in seiner D1-Fabrik in Oregon eigene Quantencomputing-Chips her.

Sie werden keinen eigenen Quantencomputer kaufen, aber sie könnten Ihr Leben sehr direkt beeinflussen. Zu denjenigen, die in die Technologie investieren, gehören Finanzdienstleistungsunternehmen, die profitablere Investitionen anstreben, Materialwissenschaftler, die auf bessere Batterien hoffen, Pharmaunternehmen, die versuchen, bessere Medikamente zu entwickeln, und Regierungen, die versuchen, die verschlüsselte Kommunikation von Gegnern zu knacken.

Diese Herausforderungen sind für herkömmliche Computer unerreichbar, aber Quantencomputing hat das Potenzial, sie zu bewältigen, indem es sich die seltsame Physik des Ultrakleinen zunutze macht. Heutige Quantencomputer sind im Allgemeinen nicht praktikabel und das volle Versprechen der Technologie bleibt noch Jahre entfernt, aber Physiker und Ingenieure haben Jahr für Jahr stetige Fortschritte gemacht.

Intel, ein Experte für Großserienfertigung, hofft, durch den Bau zahlreicher Quantenchips, die es Quantum Processing Units oder QPUs nennt, zur Beschleunigung beizutragen. Die University of Maryland, eines der Zentren, die von einem US-Regierungsprogramm zur Beschleunigung des Quantencomputerfortschritts profitieren, wird Intel-Maschinen einsetzen.

Ein bemerkenswertes Merkmal des Quantencomputings ist die enorme Vielfalt der Ansätze. Intel verwendet Elektronen und speichert Daten mit einer quantenmechanischen Eigenschaft namens Spin, die den beiden Richtungen entspricht, in die sich ein Kreisel drehen kann. IBM und Google nutzen kleine elektrische Schaltkreise aus supraleitenden Materialien. IonQ und Quantinuum manipulieren geladene Atome, die in einer Falle gespeichert sind. Andere Ansätze beziehen neutrale Atome und sogar das flüchtigste aller Teilchen, das Photon, ein.

In einem ausreichend kleinen Maßstab dominiert die Quantenmechanik die Physik und alles kann zu einem Qubit werden, sagte Quantencomputing-Pionier und MIT-Forscher Seth Lloyd in einem früheren Interview. „Die Frage ist, ob man sie richtig massieren kann, um sie zum Rechnen zu bewegen.“

Mit anderen Worten: Quantencomputing ist kein Pferderennen wie auf dem traditionellen Markt für Computerchips. Es ist eher wie ein Pferd, das gegen einen Falken, ein Motorrad und einen olympischen Sprinter antritt.

Intel gefällt sein Ansatz. Tunnel Falls befindet sich heute in der Produktion, aber das Unternehmen wird seinen Nachfolger sehr bald „auf Band rausnehmen“, was bedeutet, dass der Entwurf fertig ist, und danach mit der Entwicklung des Modells begonnen werden, sagte Clarke. Zwölf Qubits sind ein winziger Bruchteil dessen, was für nützliche Quantencomputer benötigt wird, aber Intel begann mit einem einfachen Ansatz, der auf schnelle Verbesserungen und nachhaltige Fortschritte über die Jahre ausgelegt war, die für die Herstellung ernsthafter Quantencomputer erforderlich sind.

Intels Quantencomputer-Testchip „Tunnel Falls“ sitzt auf einer Fingerspitze

„Der nächste große Meilenstein ist, wenn wir ein paar tausend Qubits haben“, eine Menge, die es Quantencomputeringenieuren ermöglichen wird, die häufigen Fehler zu korrigieren, die Qubit-Operationen plagen, sagte Clarke. „Das ist wahrscheinlich drei, vier Jahre, vielleicht fünf Jahre entfernt“, sagte Clarke. „Und es wird wahrscheinlich Anfang der 2030er oder Mitte der 2030er Jahre dauern, bis wir eine Million Ellen haben, die die Welt verändern werden.“

Intel entwickelt nicht nur die QPUs, sondern auch die entscheidenden Datenverbindungen, die jedes Qubit mit der Außenwelt verbinden. Heutige Quantencomputer sehen oft wie High-Tech-Kronleuchter aus, mit glänzenden metallischen Kommunikationsleitungen, die in Schleifen zum Prozessor führen, aber dieses sperrige Design funktioniert nicht mit Tausenden oder Millionen von Qubits. Intel ist davon überzeugt, dass seine Steuerchips und seine Chip-Verbindungstechnologie notwendige Teile eines Gesamtsystems sein werden.

Einer der größten Konkurrenten von Intel, IBM, bietet bereits mehrere 127-Qubit-Quantencomputer für Forschung und kommerzielle Nutzung an, wobei ein 433-Qubit-Computer bereits in Betrieb ist.

„Wir haben einen Plan, dies mithilfe supraleitender Qubits auf Hunderttausende Qubits auszudehnen“, sagte Jerry Chow, Leiter der Quantencomputing-Hardware-Entwicklung bei IBM. IBM arbeitet an Quantencomputerchips mit einer Reihe von Codenamen – Egret, Heron, Condor, Crossbill –, die darauf ausgelegt sind, neue Technologien zu testen, um Fehler zu reduzieren und die für die Maschinen zentralen Qubit-zu-Qubit-Verbindungen zu verbessern .

Und es macht Fortschritte. Am Mittwoch sicherte sich das Unternehmen einen begehrten Platz auf dem Cover der Fachzeitschrift „Nature“ für Forschungsarbeiten, die zeigen, dass sein 127-Qubit-Quantencomputerchip „Eagle“ herkömmliche Maschinen bei der Simulation der Materialphysik, die Effekte wie Magnetismus hervorruft, übertreffen kann.

Intel habe den Supercomputing-Qubit-Ansatz ausprobiert und abgelehnt, sagte Clarke. Seine Spin-Qubits sind eine Million Mal kleiner als ein supraleitender Schaltkreis, sodass das Unternehmen 25.000 davon auf jedem 300-mm-Siliziumwafer unterbringen kann, der seine Chip-Fertigungsanlage, eine sogenannte Fabrik, durchläuft. Wenn Intel ein Problem beim Bau von Quantenchips feststellt, findet es heraus, wie das Qubit an die traditionelle Chipherstellung angepasst werden kann, und nicht umgekehrt.

Solche Argumente haben andere nicht überzeugt. Google bleibt bei supraleitenden Qubits.

„Supraleitende Qubits sind bei kritischen Messwerten führend. Wir sind zuversichtlich, dass sie die führende Technologie für die Zukunft von Quanten-Supercomputern sind“, sagte Google in einer Erklärung und verwies auf ihre Verarbeitungsgeschwindigkeit und Fortschritte bei der Fehlerkorrektur, um Berechnungen länger auf Kurs zu halten. „Wir sehen einen klaren Weg, unsere Technologie auf große, fehlerkorrigierte Maschinen für den allgemeinen Gebrauch zu skalieren.“

Und IonQ-Chef Peter Chapman glaubt, dass Intels Ansatz für praktische Quantencomputer im großen Maßstab zu unflexibel ist. Sein Unternehmen entwickelt Ionenfallenmaschinen, die geladene Atome herumwirbeln und verschiedene Qubits für Berechnungen miteinander interagieren lassen. Die Befestigung von Qubits auf der Oberfläche eines Chips erschwere die Berechnungen drastisch, sagte er.

„Was in der Vergangenheit in der Computertechnik funktionierte – Prozessoren auf Siliziumbasis – ist nicht die richtige Lösung für das Quantenzeitalter“, sagte Chapman.

Die tiefgreifenden Meinungsverschiedenheiten über den besten Ansatz werden möglicherweise gelöst, wenn sich die Maschinen weiterentwickeln und größer werden. Die Pläne von Intel stützen sich auf seinen Fertigungsvorteil und nutzen seine Erfahrung beim Bau einiger der kompliziertesten Elektronikgeräte der Welt.

„Nicht jeder hat so ein Fab in der Hosentasche“, sagte Clarke.

Korrektur, 9:33 Uhr PT: In dieser Geschichte wurden die Teilchen, aus denen Intel Qubits herstellt, falsch angegeben. Es nutzt Elektronen.