22.06.2023

Microsoft verspricht Quanten-Supercomputer innerhalb der nächsten Dekade

Microsoft ist nun in der Lage, sogenannte Majorana-Fermionen zu erzeugen. Dies sei ein erster "Step" in Richtung "Quanten-Supercomputer".
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Quanten-Supercompter, Mocrosoft, qubits
(c) Microsoft - Illustrativer Aufbau des Quanten-Supercomputers von Microsoft in einem Azure-Datenzentrum.

Im Rahmen seiner virtuellen Konferenz „Azure Quantum: Accelerating Scientific Discovery“ gab Microsoft bekannt, einen grundlegenden Durchbruch in der Physik geschafft zu haben. Dafür hat das Unternehmen die von Fachleuten geprüften Daten in einer Zeitschrift der „American Physical Society“ vorgelegt. Der US-Konzern habe damit „den ersten Meilenstein“ auf dem Weg zu einem Quanten-Supercomputer erreicht und sei nun in der Lage, sogenannte Majorana-Fermionen zu erzeugen und zu kontrollieren und damit auf dem Weg, ein neues, hardwaregeschütztes Qubit (in der Quanteninformatik, die Grundlage für Quantencomputer) zu entwickeln.

Quanten-Supercomputer: „Eher in Jahren statt Jahrzehnten“

Krysta Svore, Microsofts Vizepräsidentin für fortgeschrittene Quantenentwicklung, erzählte Techcrunch, dass das Unternehmen glaubt, dass es weniger als zehn Jahre dauern wird, um einen Quanten-Supercomputer mit diesen Qubits zu bauen – der zuverlässig eine Million Quantenoperationen pro Sekunde durchführen kann. Dies sei eine neue Messgröße, die Microsoft einführe, da die gesamte Branche bestrebt ist, die derzeitige Ära des lauten Quantencomputers im mittleren Maßstab (NISQ) zu überwinden. „Wir denken über unseren Fahrplan und die Zeit bis zum Quanten-Supercomputer eher in Jahren als in Jahrzehnten“, so Svore.

Stabilität als Vorteil

Majorana-Qubits haben den Vorteil, dass sie sehr stabil sind (vor allem im Vergleich zu herkömmlichen Techniken), aber auch extrem schwierig zu erzeugen. Die von Experten begutachtete Arbeit belegt, dass Microsoft diesen ersten „Milestone“ auf dem Weg zu einem Quanten-Supercomputer tatsächlich erreicht hat. Um zu diesem Punkt zu gelangen, hat das US-Unternehmen Ergebnisse von mehr Geräten und weitaus mehr Daten vorgelegt als vor einem Jahr, als es diese Arbeit erstmals ankündigt hatte.

Qubits und Code

„Heute befinden wir uns wirklich auf dieser grundlegenden Implementierungsebene“, so Svore weiter bei Techcrunch. „Wir haben lärmende Quantenmaschinen in mittlerem Maßstab. Sie basieren auf physikalischen Qubits und sind noch nicht zuverlässig genug, um etwas Praktisches oder Nützliches zu leisten. Weder für die Wissenschaft noch für die kommerzielle Industrie. Die nächste Stufe, die wir als Industrie erreichen müssen, ist die der Widerstandsfähigkeit. Wir müssen in der Lage sein, nicht nur mit physikalischen Qubits zu arbeiten, sondern diese physikalischen Qubits mit einem fehlerkorrigierenden Code zu versehen und sie als eine Einheit zu verwenden, die als logisches Qubit dient.“

Quanten-Supercomputer: Multiqubit-System als Ziel

Um diesen Punkt zu erreichen, brauche man einen Quantencomputer, der diese „eine Million zuverlässigen Quantenoperationen pro Sekunde“ und eine Fehlerrate von „einer pro Billion Operationen“ durchführen könne. Konkretes Ziel ist es, ein kleineres Multiqubit-System zu bauen und ein vollständiges Quantensystem zu demonstrieren.

Azure Quantum Elements und Copilot for Azure Quantum

Microsoft hat zudem nicht nur diese Roadmap vorgestellt, sondern auch „Azure Quantum Elements“, eine Plattform zur Beschleunigung wissenschaftlicher Entdeckungen durch die Kombination von Hochleistungscomputern, KI und Quantenphysik, sowie „Copilot for Azure Quantum“, ein speziell trainiertes KI-Modell, das Wissenschaftler:innen bei der Erstellung von Berechnungen und Simulationen im Quantenbereich helfen soll.

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Christian Mentin, Head of Research Unit System-Level Integration Technologies bei Silicon Austria Labs | (c) Peter Drechsler / SAL

Das österreichische Forschungszentrum Silicon Austria Labs (SAL) hat nach eigenen Angaben das weltweit dünnste bidirektionale 11-Kilowatt-Bordladegerät für Elektroautos entwickelt. Die sogenannte „Tiny Power Box 2.0“ ist nur fünf Zentimeter hoch und soll Autoherstellern neue Möglichkeiten beim Einbau bieten. Entwickelt wurde der Prototyp von Forschungsteams in Villach und Graz gemeinsam mit den Industriepartnern Infineon, AVL, TDK, Fronius und MetaSystem. Das Forschungsprojekt hatte ein Volumen von 7,2 Millionen Euro.

Laden und Strom zurückspeisen

Jedes Elektroauto verfügt über einen sogenannten On-Board-Charger. Dieser wandelt den Wechselstrom aus der Steckdose oder Wallbox in Gleichstrom um, den die Fahrzeugbatterie speichern kann. Die Tiny Power Box 2.0 übernimmt dabei gleich drei Funktionen: Sie lädt die Batterie mit bis zu elf Kilowatt, kann Strom aus dem Fahrzeug zurück ins Haus oder öffentliche Netz speisen und versorgt über einen integrierten Wandler auch das 12-Volt-Bordnetz. Darüber werden unter anderem Beleuchtung, Steuergeräte und Infotainment betrieben. Dafür ist bislang häufig ein separates Bauteil notwendig.

Durch die bidirektionale Funktion könnte ein geparktes Elektroauto künftig auch als Stromspeicher dienen. Beispielsweise ließe sich tagsüber erzeugter Solarstrom in der Fahrzeugbatterie speichern und bei Bedarf wieder im Haushalt nutzen.

Mehr Leistung auf weniger Raum

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung sei die Wärme gewesen, die beim Umwandeln des Stroms entsteht, heißt es von SAL. Je kompakter das Ladegerät, desto schwieriger wird es, diese abzuführen.

„Bei 50 Millimetern Bauhöhe liegt die eigentliche Herausforderung in der Wärmeentwicklung, die auf sehr kleinem Raum abgeführt werden muss. Wir haben Kühlung, magnetische Komponenten und Isolation deshalb in kombinierten Designprozessen als ein gemeinsames Gesamtsystem simuliert und entwickelt. Nur so lassen sich 11 Kilowatt bidirektional auf engstem Bauraum umsetzen“, erklärt Christian Mentin, Head of Research Unit System-Level Integration Technologies bei Silicon Austria Labs.

Die Entwicklung baut auf einem Vorgängerprojekt aus dem Jahr 2022 auf. Damals hatte SAL bereits ein kompaktes Ladegerät mit sieben Kilowatt Leistung entwickelt. Die neue Generation erreicht elf Kilowatt und kommt dabei mit einer deutlich geringeren Bauhöhe aus.

Forschungsergebnisse für weitere Anwendungen

Nach dreieinhalb Jahren Forschung liegt die Tiny Power Box 2.0 nun als Prototyp vor. Mit fast allen beteiligten Industriepartnern laufen bereits Folgeprojekte. Dabei sollen die entwickelten Technologien auch in anderen Bereichen zum Einsatz kommen, etwa in der Ladeinfrastruktur für Elektromobilität, in industriellen Gleichstromnetzen oder bei der Stromversorgung von Rechenzentren.

Ob und wann die Tiny Power Box 2.0 selbst in Serienfahrzeugen eingesetzt werden könnte, ist derzeit offen. Interesse gibt es laut SAL aber bereits von europäischen und internationalen Autoherstellern.

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Microsoft verspricht Quanten-Supercomputer innerhalb der nächsten Dekade

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Welche gesellschaftspolitischen Auswirkungen hat der Inhalt dieses Artikels?

Die Entwicklung eines Quanten-Supercomputers hat das Potenzial, großen Einfluss auf verschiedene Bereiche der Gesellschaft zu haben, wie beispielsweise Medizin, Finanzen, Energiesektor, Logistik und mehr. Mit der Fähigkeit, komplexe Berechnungen in kürzester Zeit durchzuführen, könnten große Fortschritte in der Wissenschaft und Technologie erzielt werden. Auf der anderen Seite birgt der Fortschritt der Quantencomputertechnologie auch Herausforderungen im Hinblick auf Sicherheit und Datenschutz, die angegangen werden müssen.

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Welche wirtschaftlichen Auswirkungen hat der Inhalt dieses Artikels?

Es wird erwartet, dass Microsoft innerhalb der nächsten Dekade einen Quanten-Supercomputer mit einer neuen Messgröße – einer Million zuverlässigen Quantenoperationen pro Sekunde – baut. Dies wird voraussichtlich zu einer signifikanten wirtschaftlichen und technologischen Veränderung führen und die Möglichkeiten für zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte eröffnen. Die Einführung von Azure Quantum Elements und Copilot for Azure Quantum zeigt, dass Microsoft sich aktiv bemüht, die Nutzung von Quantencomputern in der Industrie und Wissenschaft zu beschleunigen und voranzutreiben.

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Welche Relevanz hat der Inhalt dieses Artikels für mich als Innovationsmanager:in?

Als Innovationsmanager:in sollten Sie sich über den Fortschritt in der Quanten-Computertechnologie im Allgemeinen und Microsofts Fortschritte auf diesem Gebiet im Besonderen im Klaren sein. Microsoft hat durch die Vorgehensweise von Majorana-Fermionen einen bedeutenden Durchbruch erzielt und arbeitet daran, einen Quanten-Supercomputer zu bauen, der in der Lage ist, eine Million Quantenoperationen pro Sekunde auszuführen. Dieser Fortschritt könnte die Art und Weise, wie wir Probleme angehen und lösen, revolutionieren, insbesondere für komplexe und umfangreiche Datensätze und Simulationen, was vielfältige Herausforderungen und Möglichkeiten im Bereich der Innovation bietet.

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Welche Relevanz hat der Inhalt dieses Artikels für mich als Investor:in?

Microsoft gibt bekannt, dass das Unternehmen auf dem Weg ist, einen Quanten-Supercomputer mit Qubits zu entwickeln, die zuverlässig eine Millionen Quantenoperationen pro Sekunde durchführen können. Das Unternehmen sieht den Zeitrahmen für die Entwicklung eines solchen Quanten-Supercomputers eher in Jahren als in Jahrzehnten. Dieser Fortschritt könnte langfristig große Auswirkungen auf verschiedene Branchen haben, insbesondere in Bereichen, die von schnelleren und leistungsfähigeren Rechenleistungen profitieren. Als Investor:in sollten Sie diese Entwicklung verfolgen, da sie die Zukunft der Technologie verändern könnte.

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Welche Relevanz hat der Inhalt dieses Artikels für mich als Politiker:in?

Als Politiker:in kann der Fortschritt in der Entwicklung von Quanten-Supercomputern von Microsoft von großer Bedeutung sein. Diese könnten in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Lösung komplexer Probleme in Bereichen wie der Forschung, Kryptographie und Datenanalyse spielen. Die Fähigkeit, Millionen von Quantenoperationen pro Sekunde durchzuführen, könnte auch große Auswirkungen auf die Geschwindigkeit und Effizienz von Berechnungen haben, die für Regierungsbehörden von Bedeutung sind. Es ist daher wichtig, über die Entwicklung solcher Technologien auf dem Laufenden zu bleiben und zu verstehen, wie sie unsere Politik und Gesellschaft beeinflussen könnten.

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Microsoft hat einen grundlegenden Durchbruch in der Physik erzielt, indem es sogenannte Majorana-Fermionen erzeugt und kontrolliert hat. Dieser Durchbruch bringt Microsoft einen Schritt näher an die Entwicklung von Quanten-Supercomputern, die in der Lage sind, Millionen von Quantenoperationen pro Sekunde auszuführen. Das Unternehmen behauptet, dass es weniger als zehn Jahre dauern wird, um einen solchen Quanten-Supercomputer zu bauen. Microsoft hat auch eine Plattform namens Azure Quantum Elements eingeführt, die die Kombination von Hochleistungscomputern, KI und Quantenphysik zur Beschleunigung wissenschaftlicher Entdeckungen ermöglicht.

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