Computing
Quanten-Computing ist derzeit der dynamischste Bereich, in dem der stärkste Anstieg bei Unternehmensgründungen und Patentierungsaktivitäten zu verzeichnen ist. Beim Quanten-Computing nutzen Qubits, das Quanten-Analogon zu klassischen, binären 0/1-Bits, das Phänomen der Superposition, um große Datenmengen gleichzeitig wiederzugeben und zu verarbeiten. Diese immense Rechenleistung könnte dazu dienen, komplexe Fragen zu lösen und Modelle zu erstellen, z. B. bei der Simulation von molekularen Wechselwirkungen, was es erleichtern würde, aus einer endlosen Zahl von chemischen Kombinationen heraus vielversprechende neue Medikamente zu entwickeln und deren Funktionsweise vorherzusagen.
Modelle
Klassische Computer simulieren komplexe Systeme, indem sie sie bearbeitbare Teilprobleme aufteilen und umfangreiche parallele Berechnungen vornehmen. Quantenprobleme sind selbst für heutige Hochleistungs-Computercluster unlösbar, insbesondere, wenn die benötigte Rechenleistung exponentiell mit der Größe des Systems ansteigt. Quantenbasierte Modelle sollen konzeptionelle Rahmen für die Verarbeitung von Quanteninformationen bieten, zum Beispiel gatterbasierte, adiabatische oder messungsbasierte Modelle und Quantensimulationen.
Simulation
Eine direkte Quantenmodellierung umgeht die exponentielle Skalierung klassischer Simulationen, wie sie derzeit z. B. für die Wettervorhersage verwendet werden. Quantenbasierte Simulationen eignen sich besonders für Simulationen von eng korrelierten Materialien, komplexen Molekülen, Photosynthese, Supraleitfähigkeit und Quantenphasenübergängen. Die Patentierungsaktivität für die Nutzung von Quantenmodellen zur Simulation komplexer physikalischer, chemischer oder Materialprozesse ist hoch.
Nicht-Simulations-Modelle
Die Patente in dieser Gruppe beziehen sich auf innovative, nicht simulationsbasierte Rechenmodelle, die Lösungen für Bereiche wie Finanzen, Materialwissenschaften, Medikamentenentwicklung und maschinelles Lernen bereitstellen. Sie können komplexe Optimierungsprobleme und Probleme beim maschinellen Lernen lösen.
Physikalische Realisierung
Diese Patentanmeldungen beziehen sich auf die Hardware-Bauteile und Plattformen für den Bau von Quanten-Computern, z. B. supraleitende Schaltkreise, Ionenfallen, den spinbasierte Systeme und Photonik. Diese Systeme werden so manipuliert und gesteuert, dass Quantenprinzipien wie Superposition und Verschränkung bei den Berechnungen eingesetzt werden.
Supraleiter
Schaltkreise aus supraleitenden Materialien gehören derzeit zu den Plattformen, bei denen die Kommerzialisierung am weitesten fortgeschritten ist. Supraleiter-Schaltkreise werden dazu verwendet, Qubits herzustellen. Dafür werden Materialien wie Nioblegierungen auf sehr tiefe Temperaturen herabgekühlt, damit sie supraleitend werden. In diesem Zustand können Schaltkreise als "künstliche Atome" mit einem Widerstand nahe Null agieren. So können Quantenzustände entstehen, die mithilfe von Mikrowellenimpulsen manipuliert werden können. Mithilfe des Nullwiderstands lassen sich lange Kohärenzzeiten für die Qubits erreichen und die Energieniveaus und Verbindungen von Qubits manipulieren. Dafür braucht es jedoch ein komplexes kryogenes Umfeld, das sich derzeit nur unter Laborbedingungen herstellen lässt.
Ionenfallen und Atomfallen
Ionenfallen und Atomfallen gehören zu den führenden Technologien im Quanten-Computing. Dafür werden geladene oder neutrale Atome in einem elektromagnetischen Feld als Qubits festgehalten. Diese einzelnen Ionen werden in einem Vakuum gehalten, um die Einflüsse von außen möglichst gering zu halten. Ihre Quantenzustände werden mithilfe genau kontrollierter Laserstrahlen manipuliert und ausgelesen, um Berechnungen vorzunehmen. Die Isolation ermöglicht lange Kohärenzzeiten und hohe Präzision, was für genaue Quantenberechnungen dringend erforderlich ist.
Spinbasiertes Quanten-Computing
Spinbasiertes Quanten-Computing nutzt den intrinsischen Spin von Quantenpartikeln wie Elektronen oder Atomkernen, um diese als Qubits zu verwenden. Diese Spin-Qubits werden mithilfe elektromagnetischer Felder manipuliert, um Berechnungen auszuführen. Die Spin-Zustände "oben" oder "unten" repräsentieren mehr als einen einfachen 0 oder 1-Zustand eines klassischen Bits und sind im Zustand der Superposition gleichzeitig verfügbar. Spinbasiertes Quanten-Computing nutzt Elektronen- oder Atomkern-Spins, häufig in Festkörpern wie Halbleitern oder Diamanten mit Gitterdefekten.
Quantenoptik
Quantenoptisches Computing basiert auf der Manipulation von Photonen als Qubits. Die Quantenoptik macht sich die Quantennatur des Lichts (Photonen) und seine Interaktion mit Materie zunutze, um Quanten-Computer zu bauen und zu betreiben. Daraus ergeben sich Methoden für die Erzeugung, Manipulation und Messung von Qubits, wobei Quanteninformationen häufig in Eigenschaften wie die Polarisierung (oder den Spin) eines Photons eingeschrieben werden. Dieser Ansatz verwendet Bauteile wie Strahlteiler und Detektoren für einzelne Photonen, um Berechnungen mithilfe von Techniken wie linearem optischem Quanten-Computing (LOQC) oder messungsbasiertem Quanten-Computing (MBQC) durchzuführen.
Algorithmen
Quantenspezifische Algorithmen werden entwickelt, um die Beschleunigung durch Quantenberechnungen zu nutzen. Hierunter fallen Optimierungs- und Kryptographie-Anwendungen. Optimierungsalgorithmen sollen die beste Lösung aus verschiedenen Möglichkeiten herausfinden. Diese Aufgabe ist für klassische Computer zu komplex, wenn die Zahl der Variablen wächst und die Möglichkeiten exponentiell zunehmen. Quantum-Optimierungsalgorithmen nutzen Quanteneigenschaften, um zahlreiche Lösungen gleichzeitig zu prüfen.
Fehlerkorrektur
Eine Fehlerkorrektur ist erforderlich, um fragile Quantenzustände gegen Rauschen und Dekohärenz zu stabilisieren. Derartige Fehler häufen sich rasch, sodass Quantenberechnungen ohne entsprechende Korrekturen nicht mehr verlässlich sind. Ohne Fehlerkorrekturen ist Quanten-Computing im größeren Stil nicht möglich. Nur mithilfe von Fehlerkorrekturen lassen sich komplexe, langwierige Berechnungen durchführen, und ohne sie kann keine Fehlertoleranz erreicht werden, dank derer ein System auch dann weiter funktioniert, wenn Fehler auftreten. Ohne Fehlerkorrektur könnten Quanten-Computer nur einfache Schaltkreise nutzen und dementsprechend ihr Potenzial zur Lösung komplexer Probleme nicht ausschöpfen.
Programmierung
Die Programmierung von Quanten-Computern erfordert neue Fähigkeiten, Tools und Ansätze zur Lösung von Problemen, mit denen klassische Computer überfordert sind. Im Grunde geht es darum, umfassend zu verstehen, wie Quantenphänomene bestmöglich für spezifische Aufgaben genutzt werden können. Spezielle, hybride Programmiertechniken und neue Software-Tools für die Steuerung und das Debugging von Programmen auf rauschanfälliger, mittelgroßer Hardware werden derzeit entwickelt (z. B. Silq, Qiskit, CIRQ, Q#, FOREST usw.).