Es ist allgemein anerkannt, dass sich die Quantencomputerbranche noch in einem sehr frühen Stadium befindet und man hofft, innerhalb von 5 bis 10 Jahren nützliche Meilensteine zu erreichen. Dieses Memo vom Sonntagmorgen ist ein Brainstorming über die potenzielle zukünftige Architektur von Quantencomputern.
Bevor Sie weiterlesen, bedenken Sie bitte, dass es sich im Folgenden lediglich um einen Blick auf mögliche Zukunftsszenarien handelt, nicht um eine Vorhersage dessen, was geschehen wird oder geschehen sollte. Wie Steve Jobs sagte,
Man kann die Punkte nicht verbinden, indem man nach vorne schaut. Man kann sie nur verbinden, indem man zurückblickt. Deshalb muss man darauf vertrauen, dass sich die Punkte in der Zukunft irgendwie verbinden werden. Man muss an etwas glauben – an sein Bauchgefühl, das Schicksal, das Leben, das Karma, was auch immer. Dieser Ansatz hat mich nie im Stich gelassen und mein Leben grundlegend verändert.
Denkt man an die 70er Jahre, als große und sperrige Mainframes üblich waren, kann man sich sofort vorstellen, wie Computersysteme heute aussehen. Ein Beispiel dafür ist der Vergleich des IBM 360/91 von 1966 mit dem Keysight-System 1000-Qubit, das 2025 im G-QuAT-Zentrum in Betrieb genommen wird.
Wie wäre es also, wenn wir uns einmal Gedanken darüber machen, wie wir uns das zukünftige Quantencomputersystem vorstellen? Das folgende Diagramm veranschaulicht meine Vision. Die Idee ist einfach: Wir vergleichen die aktuellen Speicherchips, die aus komplexen Bitspeichern und einem Controller für den Zugriff auf diese Bits bestehen, mit der Funktionsweise heutiger Quantensteuerungssysteme. Kontrovers mag sein, dass die Qubit-Steuerung nicht mehr als Verarbeitungseinheit, sondern als Speichereinheit betrachtet wird.
Hier stieß ich auf Ken Shirriffs Blog (https://www.righto.com/2019/04/) über den Speicher im IBM S/360. Der Blog und das Video sind wirklich fantastisch – ich hätte nie gedacht, dass sich die Speichertechnologie so rasant weiterentwickelt hat. Die Art und Weise, wie man den Kernspeicher mit Impulsen ansteuert, erinnert mich stark an die ähnlichen Techniken zur Steuerung und zum Auslesen von Qubit-„Entitäten“, die ich im Folgenden als „Qubit-Speicher“ bezeichnen werde.
Bis man an einen integrierten Siliziumchip denken kann, der sowohl Silizium-Qubits (oder ähnliche Bauelemente) als auch Steuerelektronik enthält, ist es natürlich noch ein sehr langer Weg. Im aktuellen Entwicklungsstadium müssen die Qubits bei kryogenen Temperaturen betrieben werden, um Störungen durch Umgebungsgeräusche zu vermeiden – ja, die Qubits sind „empfindliche“ Bauelemente. Darüber hinaus ist die Steuerelektronik selbst sehr störungsanfällig und erzeugt Wärme, weshalb sie sich nicht gut mit der unmittelbaren Nähe der Qubits verträgt.
Sobald die Herausforderung der Rauschunterdrückung bewältigt ist, voraussichtlich durch einen Durchbruch in der Materialwissenschaft (z. B. ferroelektrische Speicher oder Terahertz-Transistoren), muss die Industrie den Schritt zu integrierten Schaltkreisen mit fortschrittlichen Gehäusetechnologien wagen, ähnlich wie bei Siliziumchips. Photonik](https://www.tomshardware.com/tech-industry/semiconductors/amd-reportedly-establishes-usd280-million-silicon-photonics-hub-in-taiwan-new-r-and-d-center-could-accelerate-companys-co-packaged-optics-roadmap). Ich maße mir nicht an zu wissen, wie und wann das geschehen wird, aber wenn man die Entwicklung der Mainframes betrachtet, kann man sicher sein, dass es passieren wird. Und sobald es soweit ist, öffnet es die Tür dafür, dass jedes elektronische Gerät mit einem Quantencomputer ausgestattet wird.
Anmerkung [28.10.2025]: Das obige Diagramm impliziert, dass das Qubit auf Silizium basiert. Dies ist jedoch nicht zwingend der Fall. Optisch adressierbare Qubits beispielsweise stehen nicht vor der Herausforderung der Kryotechnik, sondern vielmehr vor der Skalierbarkeit und Miniaturisierung. Es ist durchaus zu erwarten, dass auch in diesem Bereich Durchbrüche erzielt werden – man denke beispielsweise an optisch gesteuertes magnetoresistives RAM.
Was macht ein QRAM zu einem „Quantenelement“?
Dieser Exkurs wäre uninteressant, ohne die Schlüsselfrage zu beantworten: Was macht den Quanten-RAM zu einem interessanten „Quantenelement“? Standard-RAM, egal ob statischer RAM (SRAM), dynamischer RAM (DRAM) oder synchroner dynamischer RAM (SDRAM), funktioniert nach einem sehr grundlegenden Prinzip: dem Lesen und Schreiben von Bits in ein Array, das durch einen linearen Adressraum adressiert wird.
Nehmen wir an, die Qubits könnten auch über einen linearen Adressraum adressiert werden. Was macht dieses Array in diesem Fall interessanter als ein einfaches „Boolesche-Bit“-Array? Dies sind einige der Überlegungen, die man bei der Betrachtung von „Quantenbits“ anstellen muss:
Verschränkung: Mehrere Qubits können Quantenverschränkung aufweisen. Verschränkte Qubits korrelieren stets miteinander und bilden ein einziges System. Selbst bei unendlich großer Entfernung ermöglicht die Messung des Zustands eines Qubits die Bestimmung des Zustands des anderen, ohne dieses direkt messen zu müssen.
Superposition: Die Superposition ermöglicht es Quantenalgorithmen, andere quantenmechanische Phänomene wie Interferenz und Verschränkung zu nutzen. Zusammen erzeugen Superposition, Interferenz und Verschränkung eine Rechenleistung, die Probleme exponentiell schneller lösen kann als klassische Computer.
Es ist allgemein bekannt, dass das einzig wirklich quantenmechanische Konzept die Verschränkung ist. Superposition beschreibt lediglich, dass sich ein System in zwei oder mehr bekannten, aber nicht direkt beobachtbaren Zuständen befinden kann. Sobald ein Zustand beobachtet wird, „kollabiert“ das System in einen einzigen, eindeutigen Zustand. An sich ist Superposition nichts Besonderes; das Besondere ist vielmehr, dass man mithilfe von Verschränkung „beobachten“ kann, ohne zu „messen“, und so die Quanteneigenschaften der Qubits erhält.
Welche Art von Schnittstelle müsste dieses QRAM also an den „überlagerten Zustands-Qubits“ bereitstellen, um als „Quanten-RAM“ zu gelten?
bedeutet, jedes Qubit einzeln mit Einzel-Qubit-Gattern zu steuern, wobei „Reset“ als Pseudo-Gatter fungiert.
bedeutet, mehrere Qubits mit bedingten Gattern zu steuern, wobei intern Verschränkung genutzt wird.
bedeutet, jedes Qubit auszulesen, indem das Qubit auf einen einzigen, definierten Zustand reduziert oder „kollabiert“ wird.
Ich muss zugeben, dass dies eine zu vereinfachte und naive Sichtweise ist, gegen die meine Physikerkollegen vehement streiten würden – und ich stimme zu, dass man die Gleichung mithilfe besserer Abstraktionen vereinfachen muss; ich muss auch zugeben, dass mir die Idee, ein „Quantenbit-Array“ als „Quantenspeicher“ zu bezeichnen, überhaupt nicht gefällt, aber der Name „QRAM“ ist so ansprechend und zugleich eine aussagekräftige Metapher.
Eine der Fragen bezüglich der „Speichermetapher“ ist, ob es tatsächlich vertretbar ist, das Quantenkontrollsystem zu „vereinfachen“ und es zu einem Hilfsbestandteil des Speichers werden zu lassen. Oder ob eine Quantenkontrolleinheit (QCU) erforderlich ist, die – ähnlich einer Grafikprozessoreinheit (GPU) – auf den Quantenbits operiert, wobei in diesem Fall der Schwerpunkt auf der Ausführung einer Gattersequenz liegt.
Man könnte natürlich argumentieren, dass dies dasselbe sei – im ersten Fall fungiert der Prozessor lediglich als Controller innerhalb des Speicherarrays. Aus Sicht der Systemarchitektur ist jedoch die Art der Schnittstelle entscheidend: Im Falle eines Speichers ist die eigentliche Gate-Sequenzierung die CPU/GPU, und die Interaktion mit dem QRAM basiert auf Gates (Schreiben) und Readouts (Lesen). Bei einem Quantenprozessor hingegen befindet sich die Sequenz in der QCU, und die Interaktion basiert auf Gate-Sequenzen. Damit der erste Fall funktioniert, müsste die CPU/GPU eine gewisse Kosynchronität für Multi-Qubit-Gatter gewährleisten.
Eine der vielen Herausforderungen bei Quantenbits ist die Skalierung, sowohl hinsichtlich der Anzahl als auch der Zuverlässigkeit. Die Anzahl bezieht sich auf die Möglichkeit, mehr Qubits auf demselben Chip unterzubringen, während die Zuverlässigkeit die Herstellung von Qubits mit besserer Charakterisierung beschreibt. Ich habe die Dekohärenzzeit bewusst nicht erwähnt, da eine längere Dekohärenz nicht immer von Vorteil ist; ich werde dies in einem späteren Bericht behandeln.
Zurück zur Zuverlässigkeit: Heutzutage verfügen RAMs über internen Fehlerkorrekturcode (ECC) in den Controllern. Auch QRAMs könnten von einer Quantenfehlerkorrektur (QEC) im Controller profitieren. Dadurch entstünden „zuverlässige Quantenspeicher“.
Was mir an der Abstraktion der Quantenspeichereinheit gefällt, ist die Parallele zur Entwicklung in der DNA-Sequenzierungsbranche: Früher waren DNA-Sequenzierer sehr teuer, da sie eine perfekte Übereinstimmung der Sequenzen anstrebten – eine nach der anderen. Tatsächlich dauerte die Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms 32 Jahre. Mit der Einführung von NGS, der Next Generation Sequencing, dauerte es nur noch einen Tag und war deutlich günstiger. Der Grund: der massiv parallele Ansatz (Bildnachweis: IEEE Spectrum).
Vielleicht sollten wir also in Betracht ziehen, dass, sobald wir in der Lage sind, QRAM-ICs herzustellen, der Schlüssel zur Zuverlässigkeit in der Ermöglichung massiver Redundanz liegt, indem Tausende von QRAMs in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, die alle dasselbe tun, anstatt zu versuchen, ein einzelnes logisches Qubit-basiertes QRAM perfekt zu machen, wie es QEC derzeit anstrebt?
Voilà, ich werde in 5 Jahren auf dieses Memo zurückkommen und sehen, wie viel davon sich bewahrheitet hat, wenn überhaupt etwas davon!
In diesem Memo verwendete DrawIO-Diagramme: