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11.12.2023

Ionen auf dem Quantensprung

In einer groß angelegten Kooperation arbeitet der Halbleiterhersteller NXP an einem praxistauglichen Quantencomputer. Die innovative Technologie übertrifft die Rechenleistung herkömmlicher Computer um ein Vielfaches und soll komplexe Probleme in kürzester Zeit lösen helfen.

Blick ins Labor

Ionen auf dem Quantensprung

In einer groß angelegten Kooperation arbeitet der Halbleiterhersteller NXP an einem praxistauglichen Quantencomputer. Die innovative Technologie übertrifft die Rechenleistung herkömmlicher Computer um ein Vielfaches und soll komplexe Probleme in kürzester Zeit lösen helfen. 

 

Von Quantencomputern träumen Technikvisionäre seit mindestens Mitte der 1990er-Jahre – doch noch immer sind die Superrechner nicht in Serie verfügbar. Das ändert sich gerade, denn rund um die Welt wird intensiv an der Technologie geforscht. Sie soll vor allem eines können: schnell rechnen. Quantencomputer können theoretisch Aufgaben in wenigen Sekunden lösen, mit denen herkömmliche Rechner viele Jahre beschäftigt wären. Einsatzzwecke dafür gibt es viele: Die innovativen Computer könnten Wetter- und Klimamodelle berechnen, Medikamente und Impfstoffe entwickeln oder im Bereich Mobilität und Logistik eingesetzt werden.

Die zugrunde liegende Technologie weiterbringen will NXP. Der Halbleiterhersteller und Systemlösungsanbieter beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema. „Für uns steht dabei schon länger die Post-Quantum-Kryptografie im Fokus“, sagt Christian Wiebus, Leiter System-Innovation bei NXP. „Denn unsere Produkte werden tagtäglich in sensiblen Bereichen genutzt, und die Kommunikation zwischen ihnen muss sicher sein.“ Dabei geht es nicht nur um den Nachrichtenaustausch zwischen Menschen – auch Maschinen kommunizieren zunehmend untereinander, zum Beispiel im Industrial Internet of Things. Noch sind die Daten gut geschützt, aber bald könnte sich das ändern: „Für die Verschlüsselung werden Algorithmen verwendet, die heute nur mit extrem hohem Aufwand zu hacken sind. Mit einem künftigen Hochleistungsquantencomputer könnte das hingegen in Minuten passieren“, sagt Elektroingenieur Wiebus.

Bisher können Quantencomputer allerdings nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein richtiges Ergebnis errechnen und benötigen eine Fehlerkorrektur. Daher gibt es praktische Einschränkungen auch für das Knacken von bestehenden Algorithmen. Dennoch müssen die Unternehmen die Technologie genau im Blick behalten, denn die Technik macht derzeit rasant Fortschritte. NXP beteiligt sich auch deswegen an Projekten der Quantencomputing-Initiative (QCI) im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Wir wollen gemeinsam von der Forschung zur Industrialisierung kommen und ein Ökosystem für das Quantencomputing aufbauen“, benennt Wiebus das Ziel. 

NXP und seine Partner setzen dabei auf die Technologie der Ionenfallen: Im Labor sind sie auf einem zwei Quadratmeter großen optischen Tisch aufgebracht und per Kryostat fast bis zum absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius heruntergekühlt. Eine Herausforderung: „Unsere Halbleiter sind auf Temperaturen von minus 40 bis plus 125 Grad Celsius ausgelegt. Für die Ionenfallen müssen wir darum unsere Technologie entsprechend anpassen und ein geeignetes Packaging entwickeln“, sagt Wiebus.

NXP will außerdem erreichen, dass Quantencomputer in klassische Rechenumgebungen eingebunden werden können – sie können dann im Verbund für spezialisierte Einsatzfälle verwendet werden. Dafür sollen die Quantencomputer auch kleiner werden: NXP verwendet dazu zum Beispiel statt einer vergleichsweise großen Kamera eine Fotodiode, um die Photonen auszulesen, die das Ergebnis der Berechnung durch einen Quantencomputer darstellen. „Das verringert ebenfalls Kosten und Komplexität“, sagt Wiebus. Das Team hat ein klares Ziel: Am Ende soll ein programmierbarer, fehlertoleranter Quantencomputer stehen. Wenn das gelingt, wächst gleichzeitig das Verständnis für die Technologie – und damit ist ein weiterer Schritt für die Cybersicherheit getan.

 

Text Marc-Stefan Andres | Foto NXP | Illustration ZVEI/ Barbara Geising

 

Dieser Artikel ist in der Ausgabe 2.2023 am 2. Oktober 2023 erschienen.

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