Anlässlich der diesjährigen Entwicklerkonferenz Google I/O hat das Unternehmen erstmals den neuen Quantum-AI-Campus in Santa Barbara County im US-Bundesstaat Kalifornien gezeigt. Der Campus umfasst ein Quanten-Datenzentrum, Forschungslabore und Chip-Fertigungsanlagen, die sich über mehrere Gebäude erstrecken.

Die Aufgabe der hochspezialisierten Forschungseinrichtung ist eindeutig formuliert. Bis 2029 soll hier ein Quantencomputer entstehen, der geschäftliche und wissenschaftliche Berechnungen im größten Stil fehlerfrei durchführen kann. Einrichtungsleiter Hartmut Neven ist davon überzeugt, dieser Aufgabe gerecht werden zu können.

Immerhin sei seine Abteilung an einem Wendepunkt angelangt, erklärte Neven dem Wall Street Journal. Der bestünde darin, so Neven, dass nun erstmals alle für das Projekt wichtigen Komponenten auch tatsächlich verfügbar seien. Damit sei die durchaus ambitionierte Roadmap zu schaffen. Neven forscht seit 2006 bei Google an der Quantentechnologie.

Die Einschätzung Nevens wird auch vom Wettbewerb geteilt. Zuletzt hatte Dario Gil, Forschungsdirektor bei IBM, einen Wendepunkt für das Jahr 2023 angekündigt. Ab diesem Zeitpunkt würde eine Fehlerkorrektur per Software die Quantencomputer weitaus zuverlässiger machen.

Bislang haben allerdings weder Google noch seine größten Wettbewerber auf dem Gebiet, IBM, D-Wave Systems oder Honeywell, einen Quantencomputer, der auch nur ansatzweise für den kommerziellen Einsatz geeignet wäre. Experimentiert wird nicht nur bei den künftigen Herstellern, sondern auch in der Wirtschaft. Sowohl das Kreditkartenunternehmen Visa als auch die Investmentbanker von JPMorgan, der Volkswagen-Konzern und andere Autohersteller testen die Technologie.

„Quantencomputing stellt einen fundamentalen Wandel dar, weil es die Eigenschaften der Quantenmechanik nutzt und uns die beste Chance gibt, die natürliche Welt zu verstehen“, sagte Alphabet-Chef Sundar Pichai anlässlich seiner Eröffnungsrede zur I/O-Konferenz. In der Tat würden kommerzielle Quantencomputer ein Millionenfaches der Leistung herkömmlicher Computer aufbieten und damit ganz andere Problemkategorien lösbar machen.

Während aber konventionelle Computer Informationen entweder als Nullen oder Einsen speichern, setzen Quantencomputer auf Quantenbits aka Qubits. Die speichern Informationen in einem Quantenzustand, der eine komplexe Mischung aus Null und Eins ist. Google und andere investieren immense Summen in diese Technologie, weil die Leistungsgrenzen der konventionellen Chip-Technologie absehbar sind. Nur der Quantentechnologie werden noch riesige Leistungssprünge zugetraut.

Und obwohl die Forschung der letzten fünf Jahre mehr Erkenntnisse gebracht hat als die Forschung der drei Jahrzehnte davor, gibt es zahlreiche Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind. Zum Beispiel muss Google daran arbeiten, die Zeit zu verlängern, in der die Qubits in ihrem Quantenzustand verbleiben – denn sie sind anfällig für Störungen bei Temperatur, Frequenz und Bewegung. Solche Veränderungen können die Genauigkeit einer Berechnung beeinträchtigen oder sogar verhindern, dass sie abgeschlossen werden kann.

Zudem muss es Google gelingen, mehr Qubits pro Einheit zu erreichen. Aktuelle Systeme haben weniger als 100 Qubits. Der angestrebte Computer soll über eine Million Qubits verfügen.

Um dorthin zu gelangen, will Google den weltweit ersten „Quantentransistor“ bauen. Dabei soll es sich um zwei fehlerkorrigierte „logische Qubits“ handeln, die gemeinsam Quantenoperationen ausführen. Danach müssen die Forscher herausfinden, wie man Hunderte bis Tausende von ihnen zu einem fehlerkorrigierten Quantencomputer zusammenfügen kann. Allein das wird nach eigener Einschätzung noch Jahre dauern.

Die aktuelle Idee hinter der Forschung besteht darin, ein logisches Qubit mit 1.000 physikalischen Qubits kodieren zu können. Mithilfe der Quantenfehlerkorrektur sollen diese physikalischen Qubits zusammenarbeiten, um ein logisches Qubit zu bilden, das seine Kohärenz beibehält, bis der Strom abgeschaltet wird.

Die Idee hinter der Kombination von 1.000 Qubits zu einem logischen Qubit besteht wiederum darin, zu zeigen, dass je mehr physikalische Qubits an der Fehlerkorrektur beteiligt sind, desto mehr Fehler von vornherein vermieden werden können.

Im Erfolgsfall will Google kommerzielle Quantencomputing-Dienste über die Cloud anbieten. Der Hersteller sieht selbst einen ganzen Reigen komplexer Anwendungsfälle, darunter etwa die Entwicklung energieeffizienterer Batterien oder eines CO2-reduzierten Verfahrens zur Herstellung von Dünger. Ebenso würden Quantencomputer Trainingsprozesse zum maschinellen Lernen beschleunigen können, was wieder eine ganze Reihe eigener Vorteile mit sich brächte.

So liest sich die Aufgabenliste des neuen Quantum-AI-Campus recht eindrucksvoll. In den kommenden Jahren soll der Campus Hunderte von Mitarbeitern beherbergen.

Die Marktforscher von Gartner gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2025 fast 40 Prozent aller großen Unternehmen Quantencomputing-Initiativen ins Leben gerufen haben werden. Die Marktforscher von „Research and Markets“ rechnen damit, dass der weltweite Markt für Quantencomputing-Hardware bis 2026 ein Volumen von 7,1 Milliarden Dollar erreichen wird.

Dabei steht Google eine Aufholjagd bevor. Denn im Vergleich zu Wettbewerbern wie IBM und D-Wave habe Google laut Gartner in den letzten Jahren zu wenig getan, um kommerziellen Interessenten Zugang zu seiner experimentellen Quantentechnologie zu geben. Das soll sich ändern. Google biete seit dem vergangenen Jahr einigen Unternehmen und Akademikern die Möglichkeit, mit der Quantencomputer-Technologie zu experimentieren, so Hartmut Neven. In den kommenden Jahren würden mehr Unternehmen und Wissenschaftler auf die Dienste zugreifen können, verspricht der Forschungsleiter.