Berlin, BRD (Weltexpress). Unter diesem Titel befasst sich das Netzwerk „Network Wars“ mit dem Quantencomputing, das zu den meistdiskutierten Technologien der letzten Jahre gehöre und die Idee, auf Quantenphysik basierende Computersysteme zu entwickeln, wecke weiterhin enorme Erwartungen. In dem Beitrag, den das Kommunistiche Magazin „Contropiano“ am 25. Juni übernahm, heißt es weiter: Dennoch ist Quantencomputing noch weit von einer ausgereiften Technologie entfernt.
Nicht nur, weil noch viele wissenschaftliche Probleme gelöst werden müssen, sondern auch, weil es derzeit keine industrielle Lieferkette gibt, die in der Lage ist, die für den Betrieb eines Quantencomputers notwendige Hardware in skalierbarer Weise und zu nachhaltigen Kosten herzustellen.
Wie Sie sich vorstellen können, ist die Herstellung solcher Hardware äußerst komplex. Sie erfordert seltene Rohstoffe, hochentwickelte Chemie, ausgeklügelte Kryosysteme, Präzisionsoptik und Komponenten, die von einer kleinen Anzahl spezialisierter Unternehmen hergestellt werden.
Das grundlegende Problem besteht darin, dass ein Quantencomputer mehr leisten muss als bloße Berechnungen. Er muss extrem fragile physikalische Zustände stabilisieren und für Berechnungen nutzen können. Das große Versprechen des Quantencomputings – die Nutzung von Quantenphänomenen wie Superposition und Verschränkung für Operationen, die für klassische Computer unmöglich sind – liegt in der Tat in der Fähigkeit, Quanteneffekte von Störungen aus der Außenwelt zu isolieren.
Das Problem besteht, wie Heisenberg bereits vorausgesehen hatte, darin, dass Quantenzustände unglaublich instabil sind. Es bedarf nur sehr geringer Veränderungen, um sie zu zerstören: einer mikroskopischen Vibration, einer minimalen elektromagnetischen Störung, einer unmerklichen Temperaturänderung.
Dies bedeutet, dass die erste und wichtigste Herausforderung bei der Herstellung eines Quantencomputers darin besteht, eine Art Hülle zu bauen, die den Berechnungsprozess vom „Rauschen“ der äußeren Umgebung isoliert.
Die Herausforderung der Kälte
Eine der am schwierigsten zu kontrollierenden Störungen ist die Wärme. Deshalb arbeiten viele Quantencomputer – insbesondere solche, die auf supraleitenden Schaltkreisen basieren, einer der Architekturen, die derzeit von Unternehmen wie IBM und Google entwickelt werden – bei Temperaturen sehr nahe am absoluten Nullpunkt, sogar niedriger als die im Weltraum.
Um dies zu erreichen, werden hochentwickelte Kryosysteme benötigt, sogenannte Verdünnungskühlschränke : Metallkonstruktionen, die barocken Kandelabern ähneln und zu einem der ikonischen Bilder des Quantencomputings geworden sind.
Eines der Schlüsselelemente für die Funktionsweise dieser Kühlschränke ist Helium-3. Helium-3 ist auf der Erde extrem selten, aber auf der Mondoberfläche proportional häufiger anzutreffen, wo es sich über Milliarden von Jahren durch den Beschuss mit dem Sonnenwind angesammelt hat.
Jahrzehntelang beflügelten die weitverbreiteten Helium-3-Vorkommen im Mondregolith technologische Mythen über den zukünftigen Abbau von Rohstoffen auf dem Mond, die heute, im Zeitalter des „Weltraumkapitalismus“, weniger Science-Fiction erscheinen als einst. Und man kann sich leicht vorstellen, wie eine potenziell steigende Nachfrage nach diesem Isotop, verbunden mit dem Wachstum des Quantencomputings, den Start von Mondbergbauprojekten noch attraktiver machen könnte.
Inzwischen stammt der größte Teil des auf unserem Planeten verfügbaren Helium-3 indirekt aus dem Zerfall von Tritium, das in alten militärischen Atomprogrammen produziert wurde. Dadurch entsteht ein Kurzschluss zwischen einer Spitzentechnologie und den industriellen Abfallprodukten des Kalten Krieges.
Diese Abhängigkeit von hochspezialisierten Rohstoffen macht die Lieferkette für Verdünnungskühlschränke extrem anfällig. Tatsächlich produzieren weltweit nur sehr wenige Unternehmen diese Geräte. Das finnische Unternehmen Bluefors beispielsweise hat sich innerhalb weniger Jahre zu einem der Hauptlieferanten der globalen Quantenindustrie entwickelt, ist aber gleichzeitig zu einem der heikelsten Punkte in der gesamten Produktionskette geworden.
Wenn wir uns die heutige Industriestruktur des Quantencomputings ansehen, stellen wir fest, dass der Sektor weniger der klassischen IT-Branche ähnelt, sondern eher einem Ökosystem hochspezialisierter Nischen, in denen einige wenige Akteure essentielle und schwer zu ersetzende Komponenten kontrollieren.
Eine Vielzahl von Ansätzen
Ein weiteres Problem der Quantencomputer besteht darin, dass es – zumindest derzeit – keine einheitliche, dominante Architektur gibt. Verschiedene Ansätze existieren nebeneinander, von denen jeder spezifische Infrastruktur, Materialien und Fachkenntnisse erfordert. Während Quantencomputer auf Basis supraleitender Schaltkreise hochentwickelte Kryotechnik benötigen, sind Quantencomputer, die auf „gefangenen Ionen“ basieren, auf hochstabilen Lasern, Ultrahochvakuum und extrem empfindlichen photonischen Bauteilen angewiesen.
Andere Ansätze – wie etwa solche, die auf photonischen Qubits oder neutralen Atomen (Atomen ohne elektrische Ladung, die durch Laser gesteuert werden) basieren – erfordern hingegen optische Fasern und Schaltkreise mit extrem geringen Verlusten, fortschrittliche Lichtquellen, extrem hochwertige Spiegel und optische Resonatoren sowie in einigen Fällen mikrogefertigte Bauelemente, die mit extrem engen Toleranzen hergestellt werden .
Das bedeutet, dass es derzeit keine einheitliche industrielle Quantentechnologie gibt , sondern vielmehr viele sich überschneidende Bereiche. In gewisser Weise erinnert die Situation an die Anfänge der Nachkriegselektronik und -computertechnik, als Vakuumröhren, Relais, Transistoren, magnetische Speicher und verschiedene Architekturlösungen parallel existierten.
Die Elektronikindustrie war damals ein fragmentiertes Ökosystem, geprägt von inkompatiblen Lösungen und schwer standardisierbaren Fertigungsprozessen. Das explosive Wachstum des Sektors setzte erst mit der Entwicklung gemeinsamer Komponenten, Architekturen und Fertigungsprozesse ein, die es ermöglichten, experimentelle Geräte in skalierbare Produkte zu verwandeln. Dies ist auch eine wichtige historische Lehre für das Quantencomputing.
Der Sektor befindet sich heute noch in einer Phase der Vorstandardisierung: Niemand weiß genau, welche Architektur sich durchsetzen wird, welche Materialien unerlässlich sein werden oder welche Komponenten sich industriell in großem Maßstab fertigen lassen. Solange diese Konvergenz nicht erfolgt, droht das Quantencomputing in einem „proto-industriellen“ Schwebezustand zu verharren, in dem jedes Labor dazu neigt, sein eigenes technologisches Ökosystem als eine Art hochentwickeltes wissenschaftliches Handwerk zu entwickeln.
Das Talentproblem
Die Folge dieser Tatsache ist, dass viele notwendige Produktionsprozesse auf der Erfahrung kleiner Gruppen hochspezialisierter Techniker beruhen und derzeit nur schwer in Serie reproduzierbar sind.
Der Bau eines Verdünnungskühlschranks erfordert beispielsweise Techniker, die in der Lage sind, äußerst empfindliche kryogene Systeme manuell zu montieren und dabei Vibrationen, Wärmeverluste und mikroskopische Verunreinigungen zu minimieren. Diese Prozesse basieren nach wie vor eher auf über Jahre gesammelter praktischer Erfahrung als auf kodifizierten Industriestandards.
Ähnliche Dynamiken lassen sich im Bereich der Hochleistungshalbleiter und der extremen Lithografie beobachten. ASML, das niederländische Unternehmen, das die EUV-Anlagen zur Herstellung der weltweit fortschrittlichsten Chips produziert, ist selbst auf ein sehr kleines Netzwerk hochspezialisierter Zulieferer angewiesen, die wiederum auf das Fachwissen einiger weniger „Super-Experten“ für spezifische, hochspezifische technische Probleme zurückgreifen.
Der eigentliche „industrielle“ Engpass beim Quantencomputing sind nicht nur die Maschinen, Materialien oder die Physik, sondern auch – und vielleicht vor allem – die Verfügbarkeit von technischem Fachpersonal, das dem Umfang der Produktionsherausforderung, die das Quantencomputing darstellt, gewachsen ist.
Der Bau eines Quantencomputers erfordert mehr als nur gute theoretische Physiker oder exzellente Ingenieure. Er erfordert die Fähigkeit, seltene und vielfältige Kompetenzen zu integrieren: extreme Kryotechnik, Materialwissenschaften, fortschrittliche Optik, Mikrofertigung, Hochfrequenzelektronik, Steuerungssoftware, Ultrahochvakuum und Reinstchemie.
Und vor allem muss dies koordiniert, kontinuierlich und reproduzierbar geschehen. Die eigentliche Herausforderung besteht nicht nur darin, eine funktionierende Technologie zu entwickeln, sondern eine kritische Masse an Menschen aufzubauen, die in der Lage sind, diese in ein industrielles System zu überführen.
Deshalb stellt die industrielle Zukunft des Quantencomputings auch eine gigantische Herausforderung für die Menschheit dar. Es genügt nicht, einige hundert exzellente Forscher in der akademischen Welt zu haben. Damit die Technologie industriell eingesetzt werden kann, sind Tausende hochqualifizierte Techniker, Ingenieure und Bediener entlang hochkomplexer Produktionsketten erforderlich (eine Tatsache, die China offenbar als erstes erkannt hat). Dies bedeutet, Fähigkeiten, die derzeit noch fast handwerklich geprägt sind, in flächendeckende industrielle Kompetenzen umzuwandeln.
Die wissenschaftlichen Grundlagen wichtiger Technologien können durchaus von einer kleinen Gruppe außergewöhnlich talentierter Menschen hervorgebracht werden, aber eine ganze Branche benötigt die Fähigkeit, dieses Fachwissen systematisch in großem Maßstab zu reproduzieren.
Um dies zu verstehen, können wir uns erneut der Geschichte der Mikroelektronik zuwenden. Der eigentliche Durchbruch in der Massenproduktion von Computerhardware gelang nicht mit der Erfindung des Transistors durch eine Gruppe von Pionieren in den Bell Labs, sondern erst, als die Vereinigten Staaten begannen, eine große Anzahl von Ingenieuren auszubilden, die die Funktionsweise von Transistoren und integrierten Schaltungen verstanden und deren Verbesserungsmöglichkeiten kennenlernten.
In diesem Sinne besteht die eigentliche Herausforderung für die Zukunft des Quantencomputings nicht nur darin, eine funktionsfähige Maschine zu bauen. Vielmehr geht es darum, die industriellen, wirtschaftlichen und sozialen Rahmenbedingungen zu schaffen, um eine fragile experimentelle Technologie in eine stabile Produk tionsinfrastruktur zu überführen.
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