Während GPUs (Graphics Processing Unit) und DPUs (Data Processing Unit) derzeit im Bereich des beschleunigten Rechnens eingesetzt werden, beginnt eine neue Art von Chips, QPUs (Quantum Processing Unit), im Bereich des Quantencomputings zu arbeiten.
Quantenverarbeitungseinheiten sehen GPUs und DPUs äußerlich vielleicht sehr ähnlich. Sie sehen alle wie typische Chips aus, die aus elektrischen Schaltkreisen bestehen, aber wenn wir uns mit den Details der Arbeit beschäftigen, erscheint die QPU als eine ganz andere Lösung.
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Was ist ein QPU?
Eine QPU, auch Quantenprozessor genannt, ist das Gehirn eines Quantencomputers, das das Verhalten von Teilchen wie Elektronen oder Photonen nutzt, um bestimmte Berechnungen viel schneller durchzuführen als die Prozessoren in heutigen Computern.
QPUs basieren auf dem Überlagerungsprinzip, das in einem neuen Zweig der Physik, der Quantenmechanik, beschrieben wird. Der Zustand eines Photons oder Elektrons ist ungewiss. Superposition ist die Bezeichnung für einen Zustand, der für Teilchen wie Photonen, Phononen, Elektronen usw. gilt. Mit anderen Worten: QPUs beruhen auf einem völlig anderen Ansatz, der auf der Fähigkeit eines Teilchens beruht, sich in vielen Zuständen gleichzeitig zu befinden.
Im Gegensatz dazu setzen CPUs, GPUs und DPUs alle die Prinzipien der klassischen Physik zusammen mit elektrischen Strömen um. Aus diesem Grund sind die heute verwendeten Systeme als „klassische Computer“ bekannt geworden. QPUs können Kryptografie, Quantensimulationen und maschinelles Lernen verbessern und anspruchsvolle Optimierungsprobleme lösen.
| QPU | GPU |
| Quantenverarbeitungseinheit | Grafikverarbeitungseinheit |
| Sie basiert auf der Quantenphysik. | Sie basiert auf der klassischen Physik. |
| Verwendet Qubits, die größer als 0 und 1 sein können | Sie verwendet Bits, die 0 oder 1 sind. |
| Verwendet die Zustände der subatomaren Teilchen. | Sie nutzt den in Transistoren geschalteten Strom. |
| Eine gute Wahl für die Simulation von Kryptographie und Quanteneffekten. | Eine gute Wahl für HPC, künstliche Intelligenz und klassische Simulationen. |
Wie Quantenprozessoren funktionieren
CPUs und GPUs berechnen die Ein- und Ausschaltzustände des elektrischen Stroms in Bits, die Nullen oder Einsen darstellen. Im Gegensatz dazu erreichen QPUs ihre einzigartige Leistung durch Berechnungen in Qubits, Quantenbits, die viele verschiedene Quantenzustände repräsentieren können.
Ein Qbit ist eine Abstraktion, die Informatiker verwenden, um Daten auf der Grundlage des Quantenzustands eines Teilchens in einer QPU auszudrücken. Wie die Zeiger einer Uhr bezeichnen Qubits Quantenzustände, die Punkten auf einer Sphäre von Möglichkeiten ähneln. Die Leistung einer QPU wird in der Regel durch die Anzahl der darin enthaltenen Qubits definiert. Die Forscher entwickeln zusätzliche Möglichkeiten zur Prüfung und Messung der Gesamtleistung einer QPU.
Wege zur Gestaltung eines Qubits
Forscher in Unternehmen und Hochschulen verwenden eine Vielzahl von Techniken, um Qubits innerhalb der QPU zu konstruieren. Der derzeit populärste Ansatz wird als supraleitende Qubits bezeichnet. Bei dieser Technik werden ein oder mehrere kleine metallische Sandwiches, so genannte Josephson-Übergänge (eine Lösung, die in Halbleitern verwendet wird), verwendet, bei denen Elektronen durch eine isolierende Schicht zwischen zwei supraleitenden Materialien hindurchgehen.
Nach neueren Studien ist es möglich, mehr als 100 dieser Verbindungen in einer einzigen QPU zu verwenden. Auf der Grundlage des supraleitenden Qubits isolieren Quantencomputer Elektronen, indem sie sie mit leistungsstarken Kühlsystemen, die an High-Tech-Kronleuchter erinnern, auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen.
Einige Unternehmen verwenden Photonen anstelle von Elektronen, um Qubits in Quantenprozessoren zu erzeugen. Diese QPUs benötigen keine teuren und viel Strom verbrauchenden Kühlgeräte, aber sie benötigen hochentwickelte Laser und Strahlteiler, um die Photonen zu verwalten.
Die Forscher erforschen verschiedene Möglichkeiten, Qubits in QPUs zu erzeugen und zu verbinden. Einige verwenden zum Beispiel ein analoges Verfahren namens Quantenglühen, aber Systeme, die diese QPUs verwenden, haben nur begrenzte Anwendungsmöglichkeiten. Unterm Strich stehen wir beim Quantencomputing noch ganz am Anfang. Es ist daher noch nicht klar, welche Arten von Qubits in QPUs weit verbreitet sein werden.
Einfache Chips, exotische Systeme
Theoretisch benötigen QPUs weniger Strom und erzeugen weniger Wärme als klassische Prozessoren. Die Quantencomputer, an die sie angeschlossen sind, können jedoch viel Strom verbrauchen und hohe Kosten verursachen.
Dies liegt daran, dass Quantensysteme in der Regel spezielle elektronische oder optische Kontrollsubsysteme benötigen, um die Teilchen präzise zu steuern. Solche Systeme verwenden Vakuumgehäuse, elektromagnetische Abschirmung oder ausgeklügelte Kühllösungen, um die richtige Umgebung für die Partikel zu schaffen. Aus diesen und anderen Gründen ist zu erwarten, dass Quantencomputer vor allem in Supercomputing-Zentren und großen Datenzentren zum Einsatz kommen werden.
Erwartungen an QPUs
Dank komplexer Wissenschaft und Technologie erwarten Forscher, dass QPUs in Quantencomputern überraschende Ergebnisse liefern werden. Sie sind besonders von vier vielversprechenden Möglichkeiten begeistert.
Erstens könnten sie die Computersicherheit auf ein völlig neues Niveau heben. Quantenprozessoren können sehr große Zahlen schnell faktorisieren, eine grundlegende Funktion in der Kryptographie. Das bedeutet, dass sie die heutigen Sicherheitsprotokolle leicht knacken, aber auch neue und viel stärkere Sicherheitsmaßnahmen schaffen können.
Darüber hinaus sind QPUs ideal für die quantenmechanische Simulation der Funktionsweise von Materie auf atomarer Ebene. Dies könnte zu grundlegenden Fortschritten in der Chemie und Materialwissenschaft führen, die sich auf alles in unserer Welt auswirken könnten, von der Entwicklung leichterer Flugzeuge bis hin zu wirksameren Medikamenten.
Die Forscher hoffen auch, dass Quantenprozessoren Optimierungsprobleme lösen können, die klassische Computer in Bereichen wie Finanzen und Logistik nicht bewältigen können. Schließlich könnte die Quantentechnologie das maschinelle Lernen auf eine neue Ebene heben.
Wann werden Quantenprozessoren zum Einsatz kommen?
Nach Ansicht von Quantenforschern ist es nicht möglich, QPUs in naher Zukunft in großem Umfang einzusetzen. Auf der Hardwareseite sind die QPUs noch nicht leistungsfähig oder zuverlässig genug, um die meisten realen Aufgaben zu bewältigen. Die ersten QPUs und Grafikprozessoren, die sie mit Software wie NVIDIA cuQuantum simulieren, eröffnen den Forschern jedoch neue Möglichkeiten, insbesondere mit Projekten, die sich mit dem Bau fortschrittlicherer QPUs und der Entwicklung von Quantenalgorithmen befassen.
Die Wissenschaftler nutzen Prototypsysteme, die von Amazon, IBM, IonQ, Rigetti, Xanadu und vielen anderen Unternehmen bereitgestellt werden. Regierungen in aller Welt beginnen, das Potenzial der Quantentechnologie zu erkennen. Aus diesem Grund werden erhebliche Investitionen in den Bau größerer und fortschrittlicherer Systeme getätigt.
Wie programmiert man einen Quantenprozessor?
Die Software für das Quantencomputing steckt noch in den Kinderschuhen. Die meisten Systeme durchlaufen schwierige Zeiten, ähnlich wie die Kompilierungsprobleme und die Codierungssprachen in den Anfängen der klassischen Computer. Tatsächlich müssen die Entwickler die Details der zugrunde liegenden Quantenhardware kennen, um ihre Anwendungen ausführen zu können.
Zurzeit laufen Studien. Verschiedene Unternehmen sind bestrebt, eine einzige Softwarelösung zu entwickeln, die auf jedem Supercomputer oder Quantensystem läuft. Mehrere Projekte sind in Arbeit und stoßen alle an die Grenzen der verfügbaren Hardware; einige werden von den Unternehmen, die den Code entwickeln, blockiert.
Einige Unternehmen verfügen beispielsweise über fundierte Kenntnisse im Bereich der Unternehmensinformatik, haben aber keine Erfahrung mit Hochleistungsumgebungen für wissenschaftliche und technische Arbeiten im Bereich der Quanteninformatik. Einige Unternehmen haben keine Erfahrung mit künstlicher Intelligenz im Zusammenhang mit dem Quantencomputing.
Hybride Quantensysteme
Die Forschungsgemeinschaft ist sich einig, dass klassische und Quantencomputer in absehbarer Zeit zusammenarbeiten werden. Daher muss die entwickelte Software auf QPUs, CPUs und GPUs gut funktionieren.
NVIDIA, ein führender Anbieter von Quantencomputertechnologien, hat kürzlich QODA (Quantum Device Architecture Optimised) angekündigt, eine offene Plattform für die Programmierung hybrider Quantensysteme.
QODA enthält eine Hochsprache, die leistungsfähig, einfach zu benutzen, prägnant und leicht zu verstehen ist. Mit QODA können Entwickler Programme schreiben, die auf QPUs in Quantencomputern und GPUs laufen, die QPUs in klassischen Systemen simulieren. Es wird auch erklärt, dass diese Lösung alle Arten von Quantencomputern und alle Arten von QPUs unterstützen wird.
Die benutzerdefinierte Architektur von NVIDIA baut auf der umfassenden Erfahrung des Unternehmens mit CUDA-Software auf, die HPC- und KI-Workloads für wissenschaftliche, technische und Unternehmensanwender beschleunigt. Es wird erwartet, dass QODA noch vor Ende 2022 in die Beta-Phase eintritt und dass die Zukunft für QPUs bis 2023 besser aussieht.
