12.02.2021

Ein Quantencomputer aus Niedersachsen

System mit fünfzig Qubits soll in fünf Jahren reif für den Einsatz sein.

Innerhalb der nächsten fünf Jahre soll der erste Quanten­computer mit fünfzig Qubits in Niedersachsen an den Start gehen. Wie dies gelingen soll, haben Wissenschaftler der Initiative Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) diese Woche der Öffent­lichkeit vorgestellt. „Die Leibniz Universität Hannover und ihre Partner im Quanten­bündnis verfügen über exzellente Expertise im Bereich der Quanten­technologie. Im DFG-Förderatlas ist die LUH mit dem Bereich Optik, Quantenoptik und Physik auf Platz Eins. Gemeinsam haben wir damit die besten Voraus­setzungen für den erfolg­reichen Bau eines Quanten­rechners“, sagt LUH-Präsident Volker Epping.

Abb.: In Oberflächen­fallen wie dieser sollen die Quantenbits von morgen mit...
Abb.: In Oberflächen­fallen wie dieser sollen die Quantenbits von morgen mit Mikro­wellen kontrolliert werden. (Bild: QVLS)

Das Bündnis verfolgt demnach einen der vielver­sprechendsten Ansätze: das Quanten­computing mit gefangenen Ionen. Bei dieser Technologie werden Ionen als Grundrechen­einheit des Computers verwendet, ein Ion ist ein Qubit. Mithilfe von elektrischen Feldern können diese Ionen eingefangen werden. Zur Steuerung der Ionen werden meist fokussierte Laser­strahlen verwendet, die allerdings sehr schwer zu kontrollieren sind und einen enormen Aufwand mit sich bringen. Bei QVLS wollen die Forscher daher einen anderen Weg gehen, bei dem die Rechen­operationen auf den Qubits mit Mikrowellenfeldern ausgeführt werden. „Mikrowellen­bauteile sind heute in jedem Mobiltelefon enthalten, also allgegenwärtig. Mikrowellen lassen sich extrem gut kontrollieren. Und was noch interessanter ist – wir können die entsprechenden Kontroll­elemente gleich in die Ionenfallen einbauen“, sagt Christian Ospelkaus, Sprecher der Leibniz Universität im Quantenbündnis. Für den Einsatz in Quanten­computern hätte das den Vorteil, dass sich kleinere Fehlerraten als beim Einsatz von hoch­spezialisierten Lasern erzielen lassen. Ospelkaus: „Das Ganze funktioniert mit geringem Aufwand, sehr genau und ist zudem extrem robust.“

Mit diesem Ansatz konnten die Wissenschaftler kürzlich bereits die notwendigen Quanten-Rechen­operationen auf zwei Qubits realisieren. „Die Herausforderung ist nun, diesen Ansatz zu skalieren, um die angepeilten fünfzig Qubits zu erreichen und wie in konven­tionellen Computern unterschiedliche Register zu ermöglichen, etwa für Rechen­operationen einerseits und Speicher­operationen andererseits“, so Ospelkaus. Hier zeigt sich nun das perfekte Zusammenspiel der einzelnen Forschungs­einrichtungen des Quanten­bündnisses mit ihren jeweiligen Expertisen. An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt werden die Chips hergestellt und die Bauteile des komplexen Prozessors vorab in Betrieb genommen und charak­terisiert. An der Leibniz Universität entwickeln die Forscher parallel eine spezielle kryogene Ionenfalle.

Der eigentliche Quanten­computer wird schließlich am HITec, dem Forschungsbau der Leibniz Universität für Quanten­technologien entstehen, in Betrieb genommen, angewendet und programmiert. Die TU Braunschweig bringt wichtige Expertise für die Skalierung mittels Chip-integrierter Wellenleiter, Detektoren und Kontroll­elektronik ein. Ospelkaus dazu: „In unserem Konsortium gibt es ausgewiesene Expertinnen und Experten für alle Technologien, die man braucht, um auf dieser Basis einen Quanten­prozessor mit vielen Qubits zu bauen.“

U. Hannover / JOL

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