Quantencomputing gilt als revolutionäre Kraft der nächsten Computergeneration und soll komplexe Probleme lösen, die klassische Supercomputer nicht bewältigen können. Es verspricht Durchbrüche in Bereichen wie Gesundheitswesen, Materialforschung, Lieferkettenoptimierung und künstlicher Intelligenz. Forschende und Studierende der Arizona State University (ASU) stehen an der Quantengrenze und treiben das Quantencomputing durch Bildungsinnovation, interdisziplinäre Zusammenarbeit und Spitzenforschung von der Theorie zur praktischen Anwendung.
Von Verwirrung zu Begeisterung: Die Faszination der Quantenbildung
In den Quantenmechanik-Vorlesungen an der ASU erleben Studierende zunächst oft Verwirrung. Doch nach einigen Wochen verwandelt sich diese Verwirrung häufig in Begeisterung. Professor Christian Arenz, ein Wissenschaftler von der Princeton University, weist darauf hin, dass Quantencomputing zwar anspruchsvoll klingt, aber keineswegs unerreichbar ist. Er betont, dass jeder mit der richtigen Lehrmethode und einer positiven Einstellung die Grundlagen des Quantencomputings erlernen kann. Noch wichtiger: Der Quantenbereich steht vor einem gravierenden Fachkräftemangel. Selbst wenn Studierende später nicht im Quantenfeld arbeiten, sind die durch diese Lernerfahrung geschulten Denkfähigkeiten und technischen Kompetenzen von unschätzbarem Wert.
Die ASU hat dafür ein umfassendes Quantenbildungssystem aufgebaut, darunter eine Reihe von Kursen, Forschungsprojekten und Fachseminaren. Zugleich vernetzt die von der ASU initiierte „Quantum Collaborative“-Initiative nationale Labore, Branchenriesen, akademische Einrichtungen und Start-ups eng miteinander und bietet Studierenden die Möglichkeit, direkt an Quanteninnovationen mitzuwirken und sie zu künftigen Quantenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern sowie Quanteningenieurinnen und -ingenieuren auszubilden.
Quantencomputing: Kooperation mit klassischem Computing statt Ersatz
Obwohl das Quantencomputing ein enormes Potenzial besitzt, gehen Fachleute davon aus, dass es die klassischen Computer, die wir täglich nutzen, nicht ersetzen wird. Vielmehr wird das zukünftige Computing-Bild von einer Zusammenarbeit zwischen Quantencomputern und klassischen Computern geprägt sein, um gemeinsam die derzeit unzugänglichen Probleme zu lösen. Das weltweite Interesse am Quantencomputing nimmt rasant zu. Nach Prognosen von McKinsey könnte der Quantencomputing-Markt bis 2035 einen Jahresumsatz von bis zu 72 Milliarden US-Dollar erzielen.
Die ASU verfügt derzeit noch über keinen eigenen Quantencomputer, was die Forschenden jedoch nicht einschränkt. Mit Unterstützung des Büros für Forschungstechnologie können sie mithilfe von Simulationswerkzeugen Quantenalgorithmen auf dem Supercomputer Sol der ASU ausführen und aus der Ferne auf echte Quantenplattformen von Einrichtungen wie IBM zugreifen. Die Leistung von Sol ist etwa 2000-mal höher als die eines handelsüblichen Laptops; zusammen mit der CUDA-Q-Software von Nvidia bietet sie eine starke Rechenunterstützung für die Quantenforschung. Darüber hinaus wurde eine Beschleunigerkarte namens Vector Engine eingeführt, die speziell für die Simulation von Quantenoptimierungsproblemen konzipiert ist und ein leistungsfähiges Werkzeug für praktische Anwendungen wie das Lieferkettenmanagement darstellt.
Studentische Innovation: Quantentechnologie greifbar machen
In den Klassenzimmern der ASU verstehen es die Lehrenden, abstrakte Konzepte mit anschaulichen Beispielen zu erklären. Beispielsweise hilft Professor Gennaro De Luca seinen Studierenden mit der Denkübung „ein neues Katzenbild erzeugen“, die Grundprinzipien quantengenerativer Modelle zu verstehen. Quantencomputer können theoretisch aus weniger Stichproben lernen – dieser Vorteil macht quantengenerative Modelle besonders interessant. De Lucas Studierende nutzten die Ressourcen der Universität und führten aufregende Quantenprojekte durch – einige erstellten Lehrmittel zur Vereinfachung von Quantenmaschinenlernkonzepten, andere bauten ein Lego-Roboterauto, das von einem Quantenbildverarbeitungsalgorithmus gesteuert wird. Diese Projekte vertieften nicht nur das Verständnis der Studierenden für Quantencomputing, sondern zeigten auch das Potenzial praktischer Anwendungen der Quantentechnologie.
Im Bereich Supply-Chain-Management hat ein Forschungsteam der ASU kürzlich mit Vector-Engine-Beschleunigerkarten eine Reihe von Optimierungsproblemen im Zusammenhang mit Transportlogistik gelöst und damit vorläufig den Wert des Quantencomputings für komplexe Planungsaufgaben bestätigt.
Quantencomputer verstehen: Bits, Superposition und Verschränkung
In klassischen Computern werden Informationen in Bits dargestellt, wobei jedes Bit für 0 oder 1 steht. Quantencomputer verwenden dagegen Qubits. Aufgrund des Quanten-Superpositionseffekts kann ein Qubit gleichzeitig im Zustand 0 und 1 sein. Das ist wie eine rotierende Münze, die sowohl Kopf als auch Zahl zeigen kann. Noch erstaunlicher ist, dass mehrere Qubits einen verschränkten Zustand bilden können, in dem sie eng miteinander verbunden sind. Genau diese einzigartigen Eigenschaften ermöglichen es Quantencomputern, viele Berechnungen gleichzeitig durchzuführen und dadurch bei bestimmten Problemen eine exponentielle Beschleunigung zu erreichen.
Materialentdeckung beschleunigen: Von Hochentropie-Legierungen zu grüner Energie
An der School of Engineering and Materials der ASU nutzt außerordentlicher Professor Houlong Zhuang Quantencomputing, um die Entdeckung neuer Materialien zu beschleunigen. Die traditionelle Materialforschung erfordert oft Versuch und Irrtum und dauert Jahre. Quantensimulationstechniken können diesen Prozess erheblich verkürzen. Zhuangs Forschung konzentriert sich auf Hochentropie-Legierungen, die unter extremen Temperaturen, hohem Druck und Strahlung eine herausragende Stabilität aufweisen und häufig in fortschrittlichen Verteidigungssystemen wie Überschallflugzeugen und Atom-U-Booten eingesetzt werden. Mit hybriden Quanten-Klassik-Berechnungsstrategien dauern Simulationen, die früher Wochen benötigten, jetzt nur noch Tage – und könnten in Zukunft auf wenige Stunden verkürzt werden. Seine Arbeit erstreckt sich auch auf den Bereich der nachhaltigen Entwicklung, darunter die Suche nach Materialien, die Kohlendioxid effizient abscheiden, die Lösung von Speicher- und Transportproblemen von Wasserstoffenergie sowie die Entwicklung neuartiger Solar-Halbleiter. Für seine herausragende Forschung erhielt Zhuang den mit 537.000 US-Dollar dotierten CAREER Award der National Science Foundation (NSF).
Technische Herausforderungen überwinden: Quantencomputing praxistauglicher machen
Die Entwicklung des Quantencomputings steht weiterhin vor zahlreichen technischen Herausforderungen. Die Verletzlichkeit von Quantensystemen macht sie anfällig für Rauschstörungen – ob winzige Vibrationen der Hardware, Temperaturschwankungen oder kosmische Strahlung, all dies kann Rechenfehler auslösen. Professor Christian Arenz forscht zur Unterdrückung und Abschwächung von Rauschen, um die Zuverlässigkeit von Quantencomputern zu verbessern.Darüber hinaus müssen viele Quantenprozessoren auf Temperaturen gekühlt werden, die niedriger sind als die des Weltraums, um zu funktionieren, was enorme Kosten und einen hohen Energieverbrauch mit sich bringt. An der School of Molecular Sciences der ASU unterstützt Dekanin Tijana Rajh Professor Justin Earley und andere nachdrücklich bei der Erforschung molekülbasierter Qubits. Molekülbasierte Qubits versprechen, unter milderen Bedingungen zu arbeiten und so die Hürden für das Quantencomputing zu senken. Earley zufolge kann sich die Quantentechnologie nur dann wirklich durchsetzen, wenn sie die Ultra-Tieftemperatur-Umgebung hinter sich lässt. Er hob außerdem hervor, dass Quantensensoren im Bereich der medizinischen Diagnostik große Perspektiven bieten und in Zukunft eine ultra-frühe Erkennung von Krankheiten ermöglichen könnten.
Aufbau von Quantenfachkräften: Von der High School bis zur Promotion
Die Quantenforschung der ASU beschränkt sich nicht nur auf das Labor, sondern erstreckt sich auf jede Phase der Talentförderung. Die Forscher arbeiten auf allen Ebenen – von der High School bis zur Promotion – eng mit den Lernenden zusammen und helfen ihnen, anfängliche Ängste zu überwinden und sich aktiv an der Erforschung der Quantentechnologie zu beteiligen. Professor Justin Earley ist einer von ihnen; er betreut Studierende mit unterschiedlichem Hintergrund und treibt gemeinsam mit ihnen die Quantentechnologie vom Labor hin zur realen industriellen Anwendung voran.
In der Welle des Quantencomputings nutzt ASU Bildung als Fundament, Forschung als Antrieb und Zusammenarbeit als Brücke, um beständig Talente für die globale Quantenrevolution heranzubilden. In diesem Sommer stehen die Wissenschaftler der ASU an der Quantenfront und schreiben mit Weisheit und Schweiß ein neues Kapitel des Quantenzeitalters.