Deutschlands führende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf dem Gebiet der supraleitenden Quantenschaltkreise haben sich in diesem Verbundprojekt die Entwicklung innovativer Konzepte für den Bau eines verbesserten Quantenprozessors zum Ziel gesetzt. Basierend auf neuartigen Materialien und Fabrikationsmethoden des Karlsruhe Institute of Technology (KIT), den maßgeschneiderten theoretischen Konzepten der Friedrich-Alexander Universität Erlangen Nürnberg (FAU), den optimierten Kontrollmethoden des Forschungszentrum Jülichs (FZJ) und den Entwürfen zu neuen Architekturen mit höherer Konnektivität am Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (WMI) und an der Technischen Universität München (TUM) soll ein Quantenprozessor mit verbesserter Qualität realisiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird Halbleiterhersteller Infineon skalierbare Fabrikationsprozesse entwickeln, während das Freiburger Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF die Entwicklung von optimierten Chipgehäusen vorantreibt. Der Quantenprozessor soll schließlich am WMI getestet und dessen Leistungsfähigkeit anhand eines eigens entwickelten Quantenalgorithmus gezeigt werden.

Verbesserte Technologie für leistungsfähigeren Quantenrechner

Quantenrechner versprechen, bislang nicht lösbare Problemstellungen effizient lösen zu können. Dazu gehören beispielsweise die Berechnung der Eigenschaften komplexer Moleküle für die Chemie und Pharmaindustrie als auch die Lösung von Optimierungsaufgaben, sei es für Herstellungsprozesse in der Automobilindustrie, oder für Berechnungen aus der Finanzwelt. Schon heute sind Quantenrechner in der Lage, kleine spezifische Problemstellungen zu meistern und die grundlegende Funktionsweise zu zeigen. Das langfristige Ziel, einen sogenannten universellen Quantencomputer zu entwickeln, der wichtige Rechenprobleme exponentiell schneller als ein klassischer Computer berechnet, liegt jedoch noch in der Zukunft. Eine geeignete Architektur zur Berechnung praxisrelevanter Probleme kann nur durch grundlegende Verbesserungen sowohl der Hardware als auch der Software realisiert werden.

Im Rahmen des GeQCoS Verbundprojekts soll ein Quantenprozessorprototyp entwickelt werden, der aus einigen wenigen supraleitenden Qubits mit jedoch grundlegend verbesserten Bauelementen besteht. Bei dieser Technologie werden die grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers, die Quantenbits, durch widerstandslos fließende Ströme in supraleitenden Schaltkreisen realisiert. Diese Ströme sind relativ robust gegenüber äußeren Störeinflüssen und können die Quanteneigenschaften über lange Zeiten beibehalten. Zusammen mit zuverlässigen und skalierbaren Fabrikationsmethoden hat sich dadurch eine der führenden Quantentechnologien entwickelt, die erfolgreich zum Bau von ersten Quantenprozessoren eingesetzt wird.

Die geplanten Verbesserungen betreffen zum einen die Erhöhung der Konnektivität, die Anzahl an Verbindungen zwischen den einzelnen Qubits, als auch Verbesserung der Qualität der Qubits und damit der Möglichkeit schnell und effizient die gewünschten Quantenzustände herstellen zu können. „Durch den Einsatz von neuartigen Materialien zur Herstellung der Qubits erwarten wir eine bessere Reproduzierbarkeit und eine höhere Qualität der Qubits,“ stellt Ioan Pop (KIT) fest. „Zudem müssen wir die Fabrikationsmethoden verbessern um Störstellen zu vermeiden, die die Qualität der Qubits nachhaltig beeinflussen.“ fügt Alexey Ustinov (KIT) hinzu.

Ein besonderes Augenmerk legen die Forscherinnen und Forscher auf den Schulterschluss zwischen Hardware und Software, in dem sie Algorithmen entwickeln die ideal auf die Hardware, d. h. die Art der Qubits und der Operationen sowie den vorhandenen Verbindungen zwischen den Qubits abgestimmt sind. „Nur so können die derzeit und in näherer Zukunft verfügbaren Hardwareressourcen optimal ausgenutzt werden“ meint Michael Hartmann (FAU). „Wir werden aber insbesondere auch effizientere und präzisere Methoden für die Kontrolle der Qubits und die Modellierung des Gesamtsystems entwickeln“, fügt Frank Wilhelm-Mauch hinzu, der vor kurzem an das Forschungszentrum Jülich gewechselt ist und dort gemeinsam mit David DiVincenzo und Pavel Bushev am Aufbau eines Quantencomputerzentrums arbeitet. Schlussendlich gilt es aber auch die Grundlagen für eine rasche Industrialisierung und Kommerzialisierung der Quantentechnologie zu schaffen. Dazu gehören eine reproduzierbare Fertigung von skalierbaren Quantenschaltkreisen nach industriellen Maßstäben. „Infineon kann mit seiner langjährigen Erfahrung in der Herstellung von Spezialhalbleiterchips hier maßgeblich zur Verbesserung der supraleitenden Schaltkreise beitragen und dabei auch auf Quantentechnologieexpertise im Bereich der Ionenfallen zurückgreifen, einer zweiten sehr vielversprechenden Quantencomputerplattform“, erklärt Sebastian Luber von Infineon. Um die hochsensitiven Quantenschaltkreise optimal ansteuern und gleichzeitig von der Umgebung abschirmen zu können werden im Projekt auch optimierte Prozessorgehäuse entwickelt. „Die Skalierung zu einer großen Anzahl an Qubits und deren Operation bei tiefen Temperaturen stellt auch große Herausforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Hier können wir aber sehr gut die vorhandenen Werkzeuge aus traditionellen Feldern adaptieren und im Bereich der Quantentechnologien anwenden“, erwähnt Sébastien Chartier (IAF).

Schlussendlich sollen neuartige Kopplungsmechanismen erarbeitet werden, die es erlauben die Anzahl der benötigten Operationen zu minimieren. Mit diesen Maßnahmen soll es am Walther-Meißner-Institut gelingen die verbesserte Leistungsfähigkeit anhand eines geeigneten Algorithmus zu zeigen. Das Projekt soll somit die Skalierbarkeit hin zu Quantencomputing-Architekturen mit einer größeren Qubit-Anzahl als nächsten Schritt sicherstellen und so die Voraussetzungen für eine Entwicklung fehlerkorrigierter Quantencomputer erarbeiten.

Keimzelle für die zukünftige Quantencomputerentwicklung

Die entwickelten Technologien werden nicht nur zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen führen, sondern durch eine enge Verknüpfung mit Unternehmen auch das Quantenökosystem in Deutschland und Europa stärken. Ein konkretes Ziel ist es, den entwickelten Quantenprozessor so früh wie möglich sowohl auf der Hardware- als auch auf der Softwareebene innovativen Erstnutzern zur Verfügung zu stellen. Durch zahlreiche Unternehmen mit starken Forschungs- und Entwicklungsabteilungen ist Deutschland in einer idealen Ausgangsposition, um zu einem führenden Zentrum von Nutzern und Profiteuren von Quantencomputing zu werden. Durch den Zugang zu dem, im Projekt entwickelten, Prozessor sollen daher gezielt Unternehmen im Quantentechnologiebereich gestärkt und Neugründungen gefördert werden.

Darüber hinaus soll das Vorhaben als Keimzelle der aktuellen Bundesinitiative zum Bau eines Quantencomputers „made in Germany“ dienen. Der enge Zusammenschluss zwischen Wissenschaft und Industrie ist ein klares Bekenntnis zur Förderung von Technologietransfer und zur Etablierung eines deutschlandweiten Netzwerkes basierend auf supraleitenden Qubits. Die Orientierung des Projekts an der Schnittstelle zwischen Ingenieurwissenschaften, der Informatik und der Physik trägt der Interdisziplinarität des Feldes der Quanteninformationsverarbeitung Rechnung und dient der Aus- und Weiterbildung von hochqualifizierten Wissenschaftlern als wichtiger Bestandteil der deutschen Technologielandschaft.

Pressemitteilung des WMI: Mit supraleitenden Qubits auf dem Weg zum Quantencomputer

Die Verwendung der Fotos ist ausschließlich im Zusammenhang mit dieser Pressemitteilung und unter Angabe des Copyrights gestattet.

GeQCoS wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert (Förderkennzeichen: 13N15680).