Ihre nächste Design-Herausforderung könnte Quanten sein

Das Jahr ist 2030. Ihre quantenverbesserte EDA-Software hat soeben ein neues Batteriematerial auf molekularer Ebene simuliert – eine Aufgabe, die früher Monate in Anspruch nahm, wird jetzt in einer halben Stunde erledigt. Quer durch den Raum nutzt Ihr Kollege ein quanten-klassisches Hybrid-System, um ein komplexes HF-Layout zu optimieren, und erkundet dabei gleichzeitig Millionen möglicher Konfigurationen. Währenddessen implementiert der Kryptografie-Experte Ihres Teams die neuesten quantenresistenten Protokolle, um Ihre Entwürfe zu sichern, da traditionelle Verschlüsselung keinen bedeutenden Schutz mehr bieten kann.

Dies ist keine Science-Fiction. Es ist die Zukunft der Elektrotechnik, und sie kommt schneller, als viele erkennen. Quantencomputing steht kurz davor, wie wir elektronische Systeme entwerfen, simulieren und schützen, zu transformieren. Für Ingenieure bedeutet das, sich auf eine Welle von Umbrüchen und Möglichkeiten vorzubereiten.

In Anerkennung der beschleunigenden Auswirkungen von Quantentechnologien hat die Vereinten Nationen das Jahr 2025 zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärt. Diese Initiative wird die wachsende Rolle des Quantenbereichs über Disziplinen hinweg fördern und das öffentliche und berufliche Engagement für das Feld ermutigen.

Verständnis des Quantensprungs

Um zu verstehen, warum Quanten wichtig sind, hilft es, sie mit der klassischen Datenverarbeitung zu vergleichen. Klassische Computer verwenden Bits, die entweder eine 0 oder eine 1 sind. Quantencomputer verwenden Qubits, die gleichzeitig 0 und 1 sein können – eine Eigenschaft, die als Überlagerung bezeichnet wird. Wenn Qubits verschränkt werden, sind ihre Zustände miteinander verbunden, was gleichzeitige Berechnungen über viele Möglichkeiten hinweg ermöglicht. Diese Merkmale machen Quantenmaschinen ideal für Probleme, die klassische Prozessoren überfordern.

Im Kern dieser Quantenmaschinen befindet sich die Quantum Processing Unit (QPU), das Gegenstück zur klassischen CPU. Eine QPU beherbergt Qubits sowie die Steuerelektronik und klassische Hardware, die benötigt wird, um sie zu verwalten. Zusammen bilden sie ein Präzisionssystem, das in der Lage ist, Quantenanweisungen auszuführen und gleichzeitig das Umgebungsrauschen herauszufiltern, das die fragilen Qubit-Zustände stören kann.

Warum Quanten für die Elektronik wichtig sind

Quantencomputing beginnt bereits, die Welt der Elektronik zu beeinflussen. Drei praktische Bereiche stechen hervor:

• Materialentdeckung: Die Simulation molekularer Interaktionen mit klassischen Werkzeugen ist zeitaufwendig und oft ungenau. Quantensysteme können diese Verhaltensweisen auf der Quantenebene modellieren, was die Entwicklung von Halbleitern, Batterien und anderen fortschrittlichen Materialien beschleunigt.
• Designoptimierung: Quantencomputer zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, riesige Lösungsräume zu erkunden. Diese Fähigkeit eröffnet neue Grenzen im Layout analoger Schaltungen, im Design von Speicherzellen und in anderen Designbereichen.
• Sicherheit und Resilienz: Mit zunehmender Leistungsfähigkeit von Quantenmaschinen drohen sie, die heutige Verschlüsselung zu knacken. Sie unterstützen jedoch auch die Erstellung von quantenresistenten Algorithmen, von denen einige bereits heute in Hardware eingebettet sind.

Wettlauf um Einsatzbereitschaft

IBM, Google und D-Wave haben in den letzten zwei Jahren rasante Fortschritte in der Quantentechnologie gemacht, mit wettbewerbsfähigen Fahrplänen, ehrgeizigen Forschungszielen und einem wachsenden Ökosystem von Partnern und Kunden, die Quantenlösungen testen. Diese Unternehmen gestalten die Software-Stacks, Cloud-Zugriffsmodelle und Forschungskooperationen, die die frühen Anwendungen der Quantencomputertechnologie definieren werden. Diese Konvergenz von Innovation, Engagement und Zusammenarbeit hilft dabei, die Quanteninformatik relevanter für Ingenieure und Wissenschaftler in der "realen Welt" zu machen, nicht nur für diejenigen, die in Quantenlaboren arbeiten. 

Der R2 IBM Heron Quantenprozessor, der Ende 2024 angekündigt wurde, verfügt über 156 einstellbare Koppler-Qubits und arbeitet bis zu 50 Mal schneller als sein Vorgänger, der ursprüngliche Heron, der Ende 2023 veröffentlicht wurde. In Kombination mit den Open-Source Qiskit Software-Tools kann der R2 Heron Prozessor 5.000 Zwei-Qubit-Gatteroperationen durchführen, doppelt so viele wie der bisherige Rekord (Stand Ende 2024). Laut IBM-Forschern bereitet diese Leistung ihn auf komplexe Quantenberechnungen vor. 

Googles Willow QPU, angekündigt im Dezember 2024, umfasst 105 supraleitende Transmon-Qubits und demonstrierte einen Meilenstein in der Quantenfehlerkorrektur: Die Fehlerquoten sinken, je mehr Qubits hinzugefügt werden. Willow hat kürzlich ein komplexes Benchmark in unter fünf Minuten abgeschlossen, eine Aufgabe, für die klassische Supercomputer unglaubliche 10 Septillionen Jahre benötigen würden!

Im Gegensatz zu den meisten Wettbewerbern hat D-Wave einen grundlegend anderen Weg in der Quanteninformatik eingeschlagen, indem es sich auf das Quanten-Annearing konzentrierte – eine Technik, die speziell für die Lösung von Optimierungsproblemen entwickelt wurde. Während sich torbasierte Quantencomputer (wie die von IBM und Google) darauf ausrichten, Allzwecksysteme zu werden, die in der Lage sind, eine breite Palette von Algorithmen auszuführen, sind Quanten-Annearer wie die von D-Wave hochspezialisiert. Sie zeichnen sich durch die Suche nach optimalen Lösungen in weiten und komplexen Suchräumen aus, was sie ideal für Logistik, Planung, maschinelles Lernen und Materialmodellierung macht.

Im März 2025 kündigte D-Wave an, dass sein Advantage2-System, das mit über 7.000 supraleitenden Qubits und einer 20-Wege-Qubit-Verbindung gebaut wurde, einen bedeutenden Meilenstein erreicht hatte. Es simulierte erfolgreich ein anspruchsvolles Problem der Materialwissenschaft in nur 20 Minuten. Ein traditioneller Supercomputer würde geschätzt eine Million Jahre benötigen, um diese Arbeit zu verrichten. Obwohl nicht so dramatisch wie die Dominanzbehauptungen von torbasierten Systemen, unterstreicht dieser Erfolg die einzigartige Stärke von D-Wave bei der Anwendung von Quantenwerkzeugen auf reale industrielle Optimierungsprobleme.

Chinesische Forscher kündigten Zuchongzhi 3.0 an, einen Quantenprozessor, der eine Billiarde Mal schneller ist als die besten Supercomputer von heute. Mit 105 supraleitenden Qubits zeigt der Chip, dass China trotz Handelssanktionen der USA ein Mitbewerber im Rennen um die Quantencomputertechnologie ist.

Jenseits dieser Schlagzeilen machenden Chips und Maschinen zeigt eine neue Welle von Entwicklungen den Schwung des Feldes. Forscher haben zum ersten Mal mehrere Quantenprozessoren miteinander verbunden, ein kritischer Schritt in Richtung Skalierbarkeit. Ungefähr zur gleichen Zeit erzeugte ein 56-Qubit-Quantensystem "zertifizierte Zufälligkeit", indem es nachweislich unvorhersehbare Zahlen schuf. Dieser Sprung könnte die Verschlüsselung, Simulationen und sichere Kommunikation revolutionieren.

EDA erhält Quantenunterstützung

Das Entwerfen von Hochleistungsschaltungen gehört zu den komplexesten Aufgaben im Elektroingenieurwesen. Klassische EDA-Tools verlassen sich oft auf Brute-Force-Simulationen und sequenzielles Testen, was Tage, Wochen oder sogar Monate in Anspruch nehmen kann. Wie in unserem Eingangsszenario vorgestellt, versprechen quantenverbesserte EDA-Tools, dies dramatisch zu beschleunigen, indem sie tausende oder Millionen möglicher Konfigurationen gleichzeitig bewerten. Dieser Quantenvorteil ist besonders überzeugend bei Problemen wie der Optimierung von Analogschaltungen, Layout-Routing und Stromverteilung, wo der Lösungsraum schnell zu groß wird, als dass klassische Tools ihn erschöpfend erkunden könnten.

Unterdessen arbeiten Unternehmen wie NVIDIA und Keysight mit Google Quantum AI zusammen, um großangelegte Quantenschaltungssimulationen voranzutreiben und neue Modellierungstechniken für supraleitende Komponenten zu entwickeln. Hybride Architekturen – die klassische Designabläufe mit Quantenbeschleunigern kombinieren – liefern bereits messbare Verbesserungen bei gezielten Aufgaben und markieren einen Übergang von experimenteller Neuheit zu angewandtem Ingenieurwerkzeug.

Einsteigen in Quantenwerkzeuge

Glücklicherweise benötigen Sie kein Quantenlabor, um zu beginnen. Cloud-zugängliche Plattformen ermöglichen es Ingenieuren, Quanten- und quanteninspirierte Optimierungstechniken zu testen, ohne spezialisierte Infrastruktur. IBM’s Qiskit Metal integriert sich mit bekannten EDA- und Simulationswerkzeugen und ermöglicht es Ingenieuren, Quantenhardware in Python zu entwerfen. Amazon Braket und Microsoft Azure Quantum bieten Cloud-Zugang zu Quantenprozessoren, einschließlich Systemen von IonQ, Rigetti und D-Wave.

Begegnung mit realen Herausforderungen

Trotz der Versprechen bleiben die heutigen Quantenmaschinen empfindlich und ressourcenintensiv. Supraleitende Qubit-Systeme benötigen typischerweise Verdünnungskühlschränke und Abschirmungsausrüstung, um kryogene Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten – Bedingungen, die sehr empfindlich auf Umgebungslärm reagieren. Selbst kleinmaßstäbliche Prozessoren erfordern stabile thermische Umgebungen, präzise Mikrowellensteuerung und umfangreiche Kalibrierung.

Diese physischen und technischen Einschränkungen begrenzen die Zugänglichkeit von praktischer Quantenhardware. Aber sie treiben auch Innovationen in der Miniaturisierung, Kryo-Elektronik und im modularen Design voran. Ingenieure entwickeln Kryo-CMOS-Schaltkreise, experimentieren mit supraleitenden Verbindungen und verfeinern die Schnittstellen, die die Quanten- und klassischen Domänen überbrücken. Es gibt Fortschritte, aber robuste, skalierbare Systeme stehen immer noch vor gewaltigen technischen Herausforderungen in Bezug auf Leistung, Kosten und Systemintegration.

Wohin die Technik als Nächstes geht

Das Quantenzeitalter wird die klassische Elektronik nicht ersetzen. Es wird sie erweitern und beschleunigen. Für Ingenieure bedeutet das neue Werkzeuge, um Probleme anzugehen, die einst als unpraktisch oder unmöglich galten. Mit der Entwicklung dieser Fähigkeiten werden diejenigen, die sie jetzt erforschen, die technische Kompetenz erlangen, die notwendig ist, um zu gestalten, wie Quantenfähigkeiten in die Systeme integriert werden, die definieren werden, wie wir Elektronik im Quantenzeitalter entwerfen, simulieren und sichern.