Das im Januar gestartete Verbundprojekt »SPINNING« (Diamond spin-photon-based quantum computer) will den Demonstrator eines Quantenprozessors »Made in Germany« entwickeln sowie die Peripherie, die notwendig ist, um den Prozessor an herkömmliche Computersysteme anzubinden. Die Projektlaufzeit beträgt drei Jahre. Im Vergleich zu heutigen Quantencomputern zeichnet sich die geplante Hardware sowohl durch längere Operationszeiten und kleinere Fehlerraten als auch durch einen geringen Kühlbedarf aus. Der geplante Quantenprozessor soll zunächst mit 10, in der Folge mit 100 Qubits und mehr rechnen können und wäre damit auch in der Lage, die Produkte komplexer quantenchemischer Reaktionen zu prognostizieren.

Quantencomputer haben das Potenzial, Rechenprobleme zu lösen, die klassische Computer nur mit Vereinfachungen, Näherungen oder in sehr langen Rechenzeiten lösen können. Die Rechenleistung hängt dabei vom zentralen Hardwareelement, dem Qubit, ab. Obwohl es heutzutage schon verschiedene Ansätze gibt, Qubits und Quantencomputer zu realisieren, befindet sich deren Entwicklung noch im Forschungs- und Versuchsstadium. Deshalb sind auf dem Weg zur Anwendung von Quantencomputern innovative Ansätze für kompakte und skalierbare Quantenprozessoren entscheidend.

Spin-Photon-basierter Quantenprozessor für hybride Systeme

Im Rahmen von »SPINNING« erforschen und demonstrieren die Projektpartner einen skalierbaren, universellen Quantenprozessor auf Basis von Spin-Qubits in Diamant. Dieser zeichnet sich durch ein neuartiges vernetztes und hybrides Design aus. »Ziel unserer Arbeiten ist es u. a. einen zuverlässigen Betrieb eines solchen innovativen Quantencomputers sicherzustellen und eine Peripherie zu schaffen, um die Rechenleistung für eine breite Gruppe von Anwendern, beispielsweise per Cloud-Computing, zur Verfügung zu stellen«, erläutert Prof. Dr. Rüdiger Quay, Projektkoordinator von »SPINNING« und geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer IAF.

Herausragende Konnektivität und flexible Konfigurierbarkeit

In einfachen Quantenschaltungen wird das Quantenvolumen, das sich aus der Anzahl der Qubits, ihrer Fehlerrate und ihrer Konnektivität errechnet, zum Vergleich der Leistung von Plattformen herangezogen. Ein oft vernachlässigter, zentraler Parameter dabei ist die Konnektivität der Qubits, die die Anzahl der direkt adressierbaren benachbarten Qubits und die Möglichkeit der Kopplung von Qubits über große Abstände angibt.

»SPINNING« berücksichtigt auch diesen Parameter und bietet ein Design, das sich durch eine noch nie dagewesene Konnektivität und eine flexible Konfigurierbarkeit auszeichnet. Zudem ist der Quantenprozessor in der Lage mit geringem Kühlbedarf zu arbeiten und hat damit das Potenzial, in unmittelbarer Nähe herkömmlicher Computersysteme implementiert zu werden.

Projektpartner

Das Freiburger Fraunhofer IAF leitet das »SPINNING«-Konsortium aus sechs Universitäten, zwei gemeinnützigen Forschungseinrichtungen, fünf industriellen Unternehmen (KMU und Spin-offs) und vierzehn assoziierten Partnern (zehn davon sind Unternehmen). Alle Beteiligten sind hochaktiv auf dem Gebiet der vorwettbewerblichen Hardware-, Firmware- und Software-Entwicklung.

• Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF (Koordinator)
• Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
• Forschungszentrum Jülich GmbH
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
• Universität Konstanz
• Universität Heidelberg
• Technische Universität München
• Universität Ulm
• Diamond Materials GmbH, Freiburg im Breisgau
• NVision Imaging Technologies GmbH, Ulm
• Qinu GmbH, Karlsruhe
• Universität Stuttgart
• Quantum Brilliance GmbH, Stuttgart
• Swabian Instruments GmbH, Stuttgart
• 14 Assoziierte Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

»SPINNING« wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF im Rahmen des Programms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ gefördert (Förderkennzeichen: 13N16209).

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