Ein Quantencomputer, der bei Raumtemperatur arbeitet
Das in Deutschland ansässige Quantentechnologie-Startup SAXON Q hat sein bei Raumtemperatur betriebsfähiges Quantencomputersystem auf Diamantenbasis kommerziell auf den Markt gebracht. Während das Modell SXQ128 des Unternehmens mit einer Kapazität von 128 Qubits zur Bestellung freigegeben wurde, wird angegeben, dass das System in ein standardmäßiges Server-Rack integriert werden kann und ohne spezielle kryogene Kühlinfrastruktur auskommt.
Herkömmliche Quantencomputer auf der Basis supraleitender Qubits benötigen aufwendige und komplexe Kühlsysteme, die Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erreichen, um Quantenzustände aufrechtzuerhalten. Der Ansatz von SAXON Q nutzt hingegen die Quanteneigenschaften von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren, Nitrogen-Vacancy) in synthetischen Diamanten. Diese Struktur ermöglicht es dem Quantenprozessor, bei Raumtemperatur zu arbeiten.
Das Unternehmen gibt an, dass der SXQ128 im Bereich von 18 bis 27 °C betrieben werden kann und mit einem Standard-Wechselstromanschluss arbeitet. Dadurch entsteht ein neuartiger Hardware-Ansatz, der darauf abzielt, die Abhängigkeit von Quantencomputern von speziellen Laborinfrastrukturen zu verringern.
NV-Zentren im Diamanten werden als Qubits genutzt
Das Herzstück des Systems von SAXON Q bilden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren im synthetischen Diamantkristall. Ein NV-Zentrum ist eine Punktfehlstelle im Kohlenstoff-Kristallgitter eines Diamanten, bei der ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom ersetzt und eine benachbarte Gitterposition unbesetzt bleibt.
Die elektronischen Spin-Zustände dieser Zentren werden für die Quanteninformationsverarbeitung verwendet. Das System präpariert und steuert diese Quantenzustände mithilfe von Lasern und Mikrowellenimpulsen.
SAXON Q gibt an, beim Herstellungsprozess die Ko-Implantation von Schwefel zu nutzen, um die Bildung von Stickstoff- und Fehlstellenzentren kontrollierter zu gestalten. Laut Unternehmensangaben erhöht dieser Ansatz die Ausbeute bei der Herstellung von NV-Zentren, was dazu beiträgt, mehr Qubits im selben System einzusetzen.
Wie werden 128 Qubits im SXQ128 angeordnet?
Ein bemerkenswerter Punkt des SXQ128 ist, dass die 128 Qubits nicht in einem einzigen Quantenkern gebündelt, sondern in einer Multi-Core-Architektur angeordnet sind.
Das System besteht aus 16 Prozessorkernen, wobei jeder Kern eine Struktur aus acht Qubits enthält. Für Qubit-Operationen innerhalb eines einzelnen Kerns hat das Unternehmen eine Gatter-Fidelität von bis zu 99,92 % gemeldet.
Hierbei gibt es jedoch eine wichtige technische Unterscheidung. Das Vorhandensein von 128 physischen Qubits im selben System bedeutet nicht automatisch, dass alle in einem einzigen Quantenschaltkreis direkt miteinander verschränkt werden können. In einer unabhängigen Bewertung wurde hervorgehoben, dass Ergebnisse bezüglich der Verschränkungskapazität zwischen den Kernen des SXQ128 noch nicht veröffentlicht wurden und die aktuelle Architektur des Unternehmens Einschränkungen bei der Konnektivität zwischen den Kernen aufweist.
Aus diesem Grund muss bei der Beurteilung der Qubit-Anzahl des SXQ128 nicht nur die Gesamtzahl der Qubits betrachtet werden, sondern auch, wie diese Qubits miteinander interagieren und welche Leistung auf Systemebene erzielt wird.
Warum ist der Verzicht auf kryogene Kühlung so wichtig?
Eines der größten ingenieurtechnischen Hindernisse für die Verbreitung von Quantencomputern ist die komplexe Infrastruktur, die für den Betrieb der Quantenprozessoren erforderlich ist.
Bei Systemen mit supraleitenden Qubits muss der Prozessor auf extrem niedrigen Temperaturen gehalten werden. Die zu diesem Zweck eingesetzten kryogenen Systeme stellen hohe Anforderungen an Platzbedarf, Energieverbrauch und Wartung.
Der auf NV-Zentren basierende Ansatz von SAXON Q ermöglicht hingegen den Betrieb des Quantenprozessors bei Raumtemperatur. Das Unternehmen positioniert seine Systeme daher so, dass sie sich leicht in herkömmliche Rechenzentrumsinfrastrukturen und Server-Racks integrieren lassen.
Eine wesentliche Folge dieses Ansatzes könnte sein, dass Quantencomputer nicht nur in großen Forschungslaboratorien, sondern auch in kleineren, dezentralen Systemen eingesetzt werden können.
Können Quantencomputer in Roboter und Fahrzeuge integriert werden?
SAXON Q beschränkt den Einsatzbereich seiner Technologie nicht nur auf klassische Rechenzentren. Die Roadmap des Unternehmens umfasst auch Bereiche wie Robotik, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung sowie Edge AI.
Insbesondere in der Robotik und bei autonomen Systemen hat die direkte Integration des Quantenprozessors in das jeweilige System das Potenzial, die Latenz bei bestimmten Optimierungs- und Erfassungsproblemen im Vergleich zu cloudbasiertem Quantencomputing zu reduzieren.
Viele dieser Anwendungsbereiche stellen jedoch noch zukunftsorientierte Ziele dar. Ob ein bei Raumtemperatur arbeitender Quantenprozessor tatsächlich praktische Vorteile auf mobilen Robotern oder Fahrzeugen bringt, wird sich erst mit höheren Qubit-Zahlen und verifizierter Leistung auf Systemebene zeigen.
Ein System mit 512 Qubits ist ebenfalls in Planung
Im Anschluss an den SXQ128 hat SAXON Q auch das Modell SXQ512 mit einer höheren Qubit-Anzahl in seine Produkt-Roadmap aufgenommen. Das Unternehmen plant, das 512-Qubit-System ab dem zweiten Quartal 2027 anzubieten.
Die langfristige Roadmap sieht vor, einen einzelnen Quantenchip mit mehr als 10.000 Qubits zu erreichen. Dieses Ziel ist für das Jahr 2030 und darüber hinaus angesetzt.
Die eigentliche ingenieurtechnische Herausforderung besteht an diesem Punkt nicht nur darin, die Qubit-Anzahl zu erhöhen, sondern qualitativ hochwertige Qubits herzustellen, sie zu steuern, zuverlässig miteinander interagieren zu lassen und niedrige Fehlerraten beizubehalten, um eine skalierbare Quantenarchitektur zu schaffen.
Ein neuer Hardware-Ansatz bei Quantencomputern
Das System SXQ128 von SAXON Q zeigt einen bedeutenden Hardware-Ansatz für die Zukunft von Quantencomputern auf. Die Nutzung von NV-Zentren in synthetischen Diamanten demonstriert die Machbarkeit von Quantensystemen, die keine kryogene Kühlung benötigen und mit einer Standard-Strominfrastruktur arbeiten können.
Dennoch bedeutet die kommerzielle Bestellbarkeit des SXQ128 nicht, dass Quantencomputer nun ebenso einfach zu bedienen sind wie herkömmliche Computer. Themen wie Qubit-Konnektivität, Fehlerkorrektur, Skalierbarkeit und die Rechenleistung bei realen Anwendungen gehören weiterhin zu den Hauptfaktoren, die die Zukunft dieser Technologie bestimmen werden.
Hier zeigt sich die eigentliche Bedeutung des Ansatzes von SAXON Q: Das Ziel, Quantencomputer nicht mehr nur als Laborsysteme mit hoher Qubit-Zahl zu betrachten, sondern als kompakte Systeme, die sich leicht in Standard-IT-Infrastrukturen integrieren lassen, ist eine der Richtungen der Quantentechnologie, die in den kommenden Jahren genau beobachtet werden sollte.