18.06.2021

Ionen für kompakte Quantencomputer

Prototyp eines Ionenfallen-Quantencomputers passt in Standard-Serverracks.

Quantencomputer waren bislang Einzel­anfertigungen, die ganze Forschungs­labore füllten. Nun haben Physiker der Universität Innsbruck den Prototyp eines indus­triellen Ionenfallen-Quanten­computers gebaut. Er findet Platz in zwei 19-Zoll-Serverracks, wie sie in Rechen­zentren auf der ganzen Welt verwendet werden. Das kompakte, autark betriebene Gerät zeigt, wie diese Techno­logie schon bald breit zugänglich sein könnte.

Abb.: Die Ionenfalle in der Vakuum­kammer bildet das Herzstück des...
Abb.: Die Ionenfalle in der Vakuum­kammer bildet das Herzstück des Quanten­computers. (Bild: U. Innsbruck)

An der Universität Innsbruck wurden in den vergangenen drei Jahrzehnten wesentliche Grundlagen für den Bau von Quanten­computern erforscht und entwickelt. Im Rahmen des EU-Flagships Quantentechnologien haben die Forscher nun einen Demonstrator für einen kompakten Ionenfallen-Quanten­computer gebaut. „Unsere Quanten­computer-Experimente füllen üblicher­weise ein 30 bis 50 Quadratmeter großes Labor“, sagt Thomas Monz. „Uns ging es nun darum, die hier entwickelten Techno­logien auf kleins­tmöglichem Raum unterzubringen und gleich­zeitig die in der Industrie üblichen Normen und Standards zu erfüllen.“ Das neue Gerät soll zeigen, dass Quanten­computer schon bald für den Einsatz in Rechenzentren bereit sind. „Wir konnten zeigen, dass Kompaktheit nicht auf Kosten von Funktions­fähigkeit gehen muss“, ergänzt Christian Marciniak.

Die einzelnen Bausteine des weltweit ersten Quanten­computers in diesem Format mussten erheblich verkleinert werden. So nimmt das Herzstück des Quanten­computers, die in einer Vakuum­kammer eingebaute Ionenfalle, nur einen Bruchteil des bisher notwendigen Platzes ein. Sie wurde den Forschern vom Tiroler Spin-off-Unternehmen Alpine Quantum Techno­logies (AQT) zur Verfügung gestellt, einer Ausgründung der Universität Innsbruck und der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften zum Bau eines kommer­ziellen Quanten­computers. Weitere Komponenten wurden vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Fein­mechanik in Jena und dem Laser­spezialisten Toptica Photonics in München beigesteuert.

Der neue Quante­ncomputer kann autark betrieben und soll bald auch online programmierbar sein. Eine besondere Heraus­forderung für die Wissen­schaftler war es, die Stabilität des Quantencomputers sicherzustellen. Quanten­experimente sind sehr empfindlich und werden im Labor mit Hilfe aufwändiger Maßnahmen vor äußeren Störungen geschützt. Erstaunlicher­weise ist es den Forscher gelungen, diesen Qualitäts­standard auch auf das kompakte Gerät umzulegen und damit einen sicheren und unterbrechungs­freien Betrieb zu gewähr­leisten. 

Neben der Stabilität entscheidend für den industriellen Einsatz eines Quanten­computers ist die Anzahl der verfügbaren Quantenbits. So hat die deutsche Regierung in ihrer jüngsten Investitions­offensive das Ziel formuliert, zunächst Demonstra­tions-Quanten­computer zu bauen, die über 24 voll funktions­fähige Quantenbits verfügen. Dieses Ziel haben die Innsbrucker Quanten­physiker bereits erreicht. Sie konnten mit dem Demonstrator bis zu 24 Ionen individuell kontrol­lieren und erfolg­reich miteinander verschränken. „Bis im kommenden Jahr wollen wir das Gerät mit bis zu 50 individuell ansteuer­baren Quanten­bits ausstatten“, blickt Thomas Monz bereits in die Zukunft. 

U. Innsbruck / JOL

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