Rigol

(Bild: Rigol)

Klassische Computersysteme haben – trotz Ihrer enormen Leistungskapazität – bezogen auf die Rechenleistung Begrenzungen, die Entwickler mit einer neuen Technologie überwinden möchten: dem Quanten Computer.

Computer mit Quantenteilchen

Um hier etwas tiefer einzusteigen, sollte zunächst darauf eingegangen werden, was Quanten sind und wie ein Computer mit ihnen aufgebaut werden könnte. Als Quantenteilchen werden sehr kleine Teilchen wie Atome oder Moleküle, oder Elementarteilchen wie Photonen bezeichnet. Diese Quantenteilchen können in einer Umgebung wie zum Beispiel auf supraleitenden Resonatoren existieren. Eine Beeinflussung ist via Antennen durch elektromagnetische (EM) Einstrahlung möglich. Die Ausrichtung der Quantenteilchen ist messbar, da sie in der Quantenmechanik zum Beispiel durch den Ort oder den Energiegehalt (in eV) ermittelt werden kann.

Superposition in der Quantenmechanik

Wie bereits erwähnt ist einer der Gründe für die Leistungsstärke der Computer das binäre Abarbeiten der Rechenschritte. Binär bedeutet, dass ein Bit sowohl den Zustand „1“ als auch „0“ annehmen kann. Ein Quantencomputer arbeitet nicht mit der binären Logik. So kann ein Quantenbit nicht nur die Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch alle weiteren Zustände dazwischen oder beide Zustände gleichzeitig, was als Superposition beschrieben wird. Mathematisch sind für Quantenbits [Qubit] (Darstellung in |x〉, wobei x = „1“ oder „0“ sein können) folgende Zustände möglich:

α × |0〉 + β × |1〉

wobei α und β komplexe Zahlen sind. Somit lassen sich – bis auf wenige Einschränkungen – unendlich viele Zustände erreichen, gegenüber der klassischen Binären Darstellung mit 2 Zuständen.

Parallele Rechnungen dank Qubits

Ein klassischer Computer kann mit n Bits 2n verschiedene Zahlen darstellen und jederzeit eine dieser Zahlen speichern. Ein Quantencomputer könnte mit derselben Anzahl an Quantenbits 2n Zahlen darstellen und gleichzeitig speichern. Somit sind parallele Rechnungen möglich, die bei einer klassischen Methode (wenn auch sehr schnell) nacheinander abgearbeitet werden.

Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten

Themenschwerpunkt Quantencomputer auf all-electronics.de
(Bild: Bartek Wróblewski – Adobe Stock)

Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.

So hat ein Quantencomputer Möglichkeiten, die ein klassischer PC nicht hat, z. B. das Teleportieren oder das Generieren echter Zufallszahlen (was z. B. in dem Bereich „randomisierte Algorithmen“ oder in der Kryptographie benötigt wird), während klassische PCs maximal Pseudozufallszahlen erzeugen können.

Bei einer Anzahl von beispielsweise 80 Qubits in einem Register können parallel 280 Rechenschritte abgearbeitet werden. Die meisten Hochleistungsrechner weltweit parallel verwendet würden nicht ausreichen, um diese Rechenleistung aufzubringen (von der Zeitdauer der Berechnung ganz abgesehen).

Fehleranfälligkeit und Fehlerkorrektur

Qubits sind von Natur aus sehr anfällig für Fehler, da jeder noch so kleine Einfluss seine Position verändern kann. Eine Variante für eine Art Fehlerkorrektur wäre beispielsweise das Messen einer Vielzahl an Qubits, um die Fehlerwahrscheinlichkeit unter einem gewissen Grenzwert zu halten. Bisher können nur wenige Quanten für die Rechenleistung genutzt werden. Um eine leistungsstärkere Rechenleistung zu erhalten, sind mehr Quanten notwendig was momentan aber noch nicht umsetzbar ist (in Zukunft sehr wahrscheinlich schon). Mittlerweile werden Einsatzmöglichkeiten und Applikationen erarbeitet, die es auch ohne Fehlerkorrektur ermöglichen, das Potential des Quantencomputers auszuschöpfen.

In der realen Umsetzung wird versucht, die Fehleranfälligkeit zu minimieren, das heißt, es sollten möglichst keine ungewollte Beeinflussung existent sein.

Aufbau eines Quantencomputers mit Supraleiter

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl an Konzepten wie ein Quantencomputer aufgebaut sein kann. Eine Möglichkeit ist die Umsetzung mit einem Supraleiter, in dem unterhalb einer gewissen Temperatur von wenigen mK Strom ohne Widerstand Strom in beide Richtungen fliesen kann. Für ein Qubit Register mit einigen Qbits könnte als Material eine leitende Schicht auf einer Siliziumoberfläche verwendet werden, bei der die Qubits in Resonatoren enthalten sind. Die Beeinflussung und die Vermessung erfolgen jeweils über Mikrowellen-Antennen.

Auslesung der Qubits

Was die Verwendung von Qubits komplex macht, ist, dass sie nicht so einfach ausgelesen werden können. Denn es muss der genaue Zustand ausgemessen werden, was aber gleichzeitig die Superposition aufhebt. Wird ein Qubit gemessen, dann befindet es sich mit der Wahrscheinlichkeit von |α|2 im Zustand |0〉 und mit der Wahrscheinlichkeit von |β|2 im Zustand |1〉. Das heißt, die Messung ist abhängig von den komplexen Amplituden und könnte über einem zusätzlichen Resonator oder gar über eine zweite isolierte Filterschaltung, z.B. über einem „Purcell Filter“, der an dem Qubit Resonator gekoppelt ist, indirekt vorgenommen werden.

Energie und Frequenz

Sobald ein Qubit sich bewegt, entsteht Energie, die sich mit dem planckschen Wirkungsquantum [h] = 6,602 × 10-34 Ws2 (=Js) und der Formel

E = h × f

beschreiben lässt. Das heißt, durch Änderung der Position entsteht eine Energie, die wiederum eine Frequenz beschreibt:

f = (E1 - E2) / h

Auf der anderen Seite lässt sich feststellen, dass sich die Qubits durch das Zuführen einer elektromagnetischen Frequenz beeinflussen also manipulieren lassen, was benötigt wird, um einen Qubit auf eine bestimmte Grundposition zu setzen. Diese Beeinflussung kann auf unterschiedliche Art und Weise ausgeführt werden.

Manipulation durch Generator

Rigol hat für genau diese Art der Manipulation den Generator DG70004 auf dem Markt gebracht.  Dieser Generator hat eine maximale IQ-Modulationsbandbreite von 1.5 GHz und 4 Kanäle. Alle Kanäle verfügen über zwei DC-Ausgänge und einen AC-Ausgang und können bis auf 10 ps miteinander synchronisiert werden. Um der wachsenden Anzahl an Qubits gerecht zu werden, ist es möglich mehrere Geräte miteinander zu sychronisieren, was bis zu 224 Kanäle zu erzeugt. So werden im Prinzip über 60 Qubit Prozessoren gesteuert. Die Ausrichtung des Qubits erfolgt dreiminesional in X-, Y- und Z-Richtung. Die XY-Manipulation wird auf der gewünschten HF-Frequenz zwischen 4 und 12 GHz (oder höher) mit einer IQ-Bandbreite von minimal 400 MHz aufmoduliert (Blid 1).

Bild 1: Der Generator DG70004 hat eine maximale IQ-Bandbreite von 1.5 GHz.
Bild 1: Der Generator DG70004 hat eine maximale IQ-Bandbreite von 1.5 GHz. (Bild: Rigol)

Amplitude und Phase

Mit IQ-Daten lassen sich vektorielle Signalkomponenten erzeugen. Der vektorielle „Ort“ lässt sich durch Amplitude und Phase bestimmen. Diese sind beliebig einstellbar. Somit kann ein Quant entsprechend beliebig stimmuliert werden. Hierfür sind sehr kurze Pulse von 10-20 ns bzw. 50 ns notwendig. Diese müssen gefiltert werden. Bei der Filterung ergibt sich der beste Kompromiss zwischen Pulsdauer und Bandbreite, die in der IQ-Modulation eingestellt werden kann, im cos-Filter. Die Auflösung der Amplitude erfolgt entweder auf 16 Bit, oder sie reduziert sich auf 15 bzw. 14 Bit, falls zur Synchronisation und Triggerung die AWG-Marker (zwei pro Kanal) verwendet werden. Die Z-Ausrichtung kann z. B. dazu dienen, das Qubit in Grundausrichtung zu manipulieren.

Die maximale Ausgangsfrequenz des Generators liegt bei 5 GHz. Die Abtastrate bei 5 GS/s bzw. interpoliert bei 12 GS/s. Um eine hochgenaue Signalqualität zu erzeugen, liegt der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) bei -70 dBc. Durch die Sequenzierung können unterschiedliche Signalformen kombiniert an den Qubit-Prozessor gesendet werden.

Kombination mit HF-Generator

Falls die Mikrowellenfrequenz nicht ausreicht, ist es möglich mit dem Multikanal-HF-Generator der Serie DSG5000 die IQ-Bandbreite auf den gewünschten Träger bis 20 GHz zu mischen. Dieser HF-Generator generiert Frequenzen von 9 kHz bis 20 GHz und ist mit 2, 4, 6 oder 8 Kanälen verfügbar. Die Kanäle können individuell auch mit analogen Modulationsformen (AM/FM/PM/PhasenM) betrieben werden. Alternativ ist sie synchrone Ausgabe der HF-Träger der unterschiedlichen Kanäle auch mit einer sehr hohen Phasenstabilität möglich. Die Ausgabe eines CW-Signals (constant wave ), z. B. bei 18 GHz eignet sich durch das sehr niedrige Phasenrauschen (1 GHz, -133 dBc/Hz (typ.)) optimal zum Mischen der IQ Bandbreite des DG70004.

Testsetup für Manipulation und Analyse

Mit der Kombination des HF-Generators, dem Multifunktionsgenerator und dem Oszilloskop DS70504 ist es möglich, ein eigenes Testsetup für die Manipulation und die Analyse aufzubauen (Bild 2) und entsprechend für das Anwachsen der Prozessorleistung zu erweitern.

Bild 2: Vereinfachtes Blockdiagramm des Testsetups aus HF-Generator, Multifunktionsgenerator und Oszilloskop zur Manipulation und Messung von Qbits.
Bild 2: Vereinfachtes Blockdiagramm des Testsetups aus HF-Generator, Multifunktionsgenerator und Oszilloskop zur Manipulation und Messung von Qbits. (Bild: Rigol)

Mit der Kombination des HF-Generators, dem Multifunktionsgenerator und dem Oszilloskop DS70504 ist es möglich, ein eigenes Testsetup für die Manipulation und die Analyse aufzubauen

Andere Anwendungsmöglichkeiten des Multifunktionsgenerators

Der Multifunktionsgenerator eignet sich nicht nur für den Bereich des Quantencomputers. Durch die IQ-Modulationsmöglichkeiten sowie die Ausgabe realer Signale über den AWG bringt das Gerät eine Lösung für viele Anwendungen. Als Beispiel können mit den differenziellen Ausgängen Hochgeschwindigkeitsdatensignale wie Ethernet erzeugt werden. (bs)

Die Entwicklung des Computers

Schon weit vor Christi Geburt wurden mechanische Rechen-Hilfen (wie z.B. der Abakus) verwendet, um schneller kalkulieren zu können. Die ersten mechanischen Weiterentwicklungen für einfache Rechenaufgaben wurden im 17. Jahrhundert entwickelt und erlebten mit der Einführung des binären Systems durch Gottfried Wilhelm Leibniz (der sich auch als einer der Ersten mit Differentialgleichungen befasst hat) einen neuen Schub. Dieses bildet inzwischen die Grundlage des digitalen Rechners ab.

Zuerst entwickelten sich im 19. Jahrhundert mechanische Rechner für das Dezimalsystem. Diese waren über elektromechanische Lochkarten sogar programmierbar. 1935 veröffentlichte IBM eine Lochkartenmaschine, die eine Berechnung pro Sekunde durchführen konnte.

Ein weiterer Meilenstein gelang dem Mathematiker Alan Turing, der mit einer Maschine (ein Durchlaufband über welches ein Lese-/Schreibkopf bewegt werden konnte) die Kalkulationen so beschrieb, dass sie wie mathematische Gegenstände behandelt werden konnten. Wenig später stellte Konrad Zuse mit einer Binärziffernrechenmaschine den ersten frei programmierbaren Rechner her. Die Weiterentwicklung im Zweiten Weltkrieg (Zuse Z3) enthielt eine große Anzahl an Relais, war also nicht vollelektronisch und arbeitete digital. Hier konnten verschiedene Algorithmen automatisch ausgeführt werden. Nach dem zweiten Weltkrieg entstand bedingt durch die Entwicklung des Transistors eine zweite Computergeneration, die vom Röhrencomputer abgelöst wurde.

 

Dank der Planar-Diffusionstechnik war es ab 1960 möglich, integrierte Schaltkreise mit Transistoren, Dioden und Widerständen für den Einsatz in einem Computer zu entwickeln. So wurden elektronische Verknüpfungsglieder hergestellt, die binäre Variablen entsprechend der Algebra miteinander verknüpfen, um eine digitale Datenverarbeitung zu realisieren. Verknüpfungsglieder konnten somit in Schaltnetze und diese in Schaltwerke erweitert werden um komplexere Prozesse umzusetzen. In Verbindung mit entsprechenden Bausteinen waren diese auch programmierbar.

Ab den 70er Jahre wurden spannungsgesteuerte MOSFETS für die ersten Mikroprozessoren eingesetzt, um zum Beispiel einen Hauptprozessor herzustellen, was die Leistungsfähigkeit noch einmal deutlich steigerte.

Neben den Verknüpfungsgliedern ist die Speicherung der Daten in Speichergliedern ein wesentlicher Bestandteil des Computers. Zum Beispiel ist ein Arbeitsspeicher eine wichtige Komponente, um alle Berechnungen der CPU kurzfristig abzulegen. Der Arbeitsspeicher ist recht nah an der CPU verbaut. Zum dauerhaften Abspeichern der Daten wurden Hard-Disc-Drive verwendend.

Anfang der 80er Jahre gab es bereits Computer wie die von IBM mit 8 Bit / 4.77 MHz Mikroprozessoren und 64 kB Arbeitsspeicher. Aktuell kann beispielsweise der Intel Core-i9-Prozessor mit 16 Kernprozessoren für Parallelrechenprozesse und einer Taktfrequenz von 5.5 GHz (= 1153 x 4.77 MHz), 64 Bit Struktur mit einem Arbeitsspeicher von 128 GB (= 2 Mio x 64 kB) arbeiten.

Boris Adlung

Vertriebsingenieur bei Rigol

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

Rigol Technologies EU GmbH

Carl-Benz-Straße 11
82205 Gilching
Germany