21.03.2022

Mit dem richtigen Dreh zum Quantencomputer

Spin-Qubits in Diamant sollen den Weg zum deutschen Quantenprozessor weisen.

Auf dem Weg zur Anwendung von Quantencomputern: Im Projekt „Spinning“ arbeiten nationale Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft an einem kompakten, skalierbaren Quanten­prozessor, der auf Spin-Qubits in Diamant basiert und sich an herkömmliche Computer anbinden lässt. Damit will das Projekt einen wichtigen Beitrag zum Ökosystem der deutschen Quanten­technologie leisten. Das BMBF fördert das Projekt mit 16,1 Mio. Euro. Das Fraunhofer IAF koordiniert das Projekt, in dem 28 Partner zusammenarbeiten.

 

Abb.: Der Quanten­prozessor, der in „Spinning“ entwickelt wird, ist in der...
Abb.: Der Quanten­prozessor, der in „Spinning“ entwickelt wird, ist in der Lage, mit geringem Kühl­bedarf zu arbeiten. Somit hat er das Potenzial, in unmittelbarer Nähe herkömmlicher Computer­systeme implementiert zu werden. (Bild: J. Thew / stock.adobe.com)

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 zehn, in der Folge mit hundert 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.

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 unter anderem, 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 Rüdiger Quay, Projekt­koordinator von „Spinning“ und geschäfts­führender Instituts­leiter des Fraunhofer IAF.

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.

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.

Fh.-IAF/ DE

 

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