Shunkai: Japans Full-Stack-Quantencomputer mit 10.000 Qubits

Laut Live Science haben japanische Forschende Shunkai, einen Full-Stack-Quantencomputer auf Basis neutraler Atome, in Betrieb genommen und wollen das System bis März 2031 auf 10.000 Qubits skalieren. Shunkai gilt als Japans erstes Full-Stack-System dieser Art. Es vereint Software, Steuerungsebenen und Hardware, um Benutzereingaben zu verarbeiten und Ergebnisse auszugeben.

Dank seines Full-Stack-Designs soll das System direkt für Forschungszwecke nutzbar sein. Die integrierte Software- und Steuerungsebene ermöglicht es Forschenden theoretisch, Experimente und Algorithmen auszuführen, ohne dafür separate Steuerungsinfrastrukturen aufbauen zu müssen. Das Shunkai-Team kündigt an, den Zugang in den kommenden Jahren für externe Nutzer und weitere Wissenschaftler zu öffnen.

Kenji Omori, Projektleiter und Professor für photomolekulare Wissenschaften am Institut für Molekulare Wissenschaften, erklärte, der Einsatz von Shunkai durch Forschende könne weltweit Auswirkungen auf Industrie, Wissenschaft und Verwaltung haben. Das Entwicklungsteam plant zudem, Shunkai in ein bestehendes gemeinsames Supercomputing-Zentrum zu integrieren und eine hybride Rechenanlage aufzubauen, die es Quantum-GPU-Zentrum nennt.

Wie Shunkai in die aktuelle Quantentechnologie einzuordnen ist

Quantencomputer arbeiten nach den Gesetzen der Quantenphysik statt nach klassischen Regeln. Ihre grundlegenden Informationseinheiten sind Qubits, die als supraleitende Schaltkreise, gefangene Ionen oder Photonen realisiert werden können. Qubits können den Zustand 1, den Zustand 0 oder eine Überlagerung beider Zustände gleichzeitig einnehmen – eine Eigenschaft, die die Grundlage der Quantenverarbeitung bildet.

Qubits sind äußerst empfindlich. Schon geringe Umwelteinflüsse können sie destabilisieren oder gespeicherte Informationen löschen. Deshalb bleibt eine hohe Präzision eine zentrale Herausforderung. Die Fehlerrate von Qubits wird grob auf etwa einen Fehler pro tausend Operationen geschätzt, während klassische Bits typischerweise Fehlerraten von etwa einem Fehler pro Milliarde oder Billion Operationen aufweisen. Ein großer Teil der aktuellen Forschung befasst sich mit Quantenfehlerkorrektur: Dabei wird Redundanz über mehrere Qubits hinweg in die Kodierung eingebracht, um das Risiko zu senken, dass kleine Fehler eine gesamte Berechnung zunichtemachen.

Die grundlegende Strategie in diesem Bereich besteht zunächst darin, hochwertige Qubits zu entwickeln und anschließend ihre Zahl in einem System zu erhöhen. So sollen Quantencomputer letztlich mit den schnellsten klassischen Supercomputern konkurrieren können.

Shunkai, benannt nach dem japanischen Astronomen Harumi Shibukawa aus dem 17. Jahrhundert, begegnet einigen dieser Einschränkungen, indem es neutrale Atome statt ultrakalter supraleitender Schaltkreise als Qubits verwendet. Die neutralen Atome werden mithilfe optischer Pinzetten eingefangen und in Position gehalten. Mit dieser Technik lassen sich einzelne Atome durch eng gebündelte Laserstrahlen anordnen und manipulieren.