05.01.2024

Quantencomputer: Vom Labor in die Praxis

Entwicklung von zwei Systemen mit Qubits in Kristall-Strukturen.

Ein Quantencomputer zum Anfassen und Ausprobieren für Nutzer, Studenten und Unternehmen: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat die Entwicklung eines speziellen Mini-Quantencomputers für Schulungen in Auftrag gegeben. Das Start-up Advanced Quantum aus Allmersbach entwickelt ein mobiles Zwei-Qubit-System und ein passendes didaktisches Konzept. Einen weiteren Auftrag hat das DLR an das Unternehmen NVision Imaging Technologies aus Ulm vergeben. NVision liefert einen prototypischen Quantencomputer mit mindestens fünfzig Qubits. Sowohl Advanced Quantum als auch NVision setzen auf Festkörper-Spins als technische Grundlage. In dieser Art von Quantencomputer sind die Rechen- und Speichereinheiten in die Kristallstruktur von Festkörpern eingebettet. NVision nutzt zur Realisierung dieser Spin-Qubits spezielle Designer-Moleküle auf Basis von kristallinem Kohlenwasserstoff. Advanced Quantum nutzt Siliziumcarbid-Kristalle.

Abb.: Fluoreszierender organisch molekularer Kristall.
Abb.: Ein fluoreszierender organischer molekularer Kristall befindet sich im Kryostat eines optischen Mikroskops. Bei Quantencomputern auf Basis von Festkörperspins sind die Rechen- und Speichereinheiten in die Kristallstruktur von Festkörpern eingebettet.
Quelle: NVision Imaging Technologies

Es gibt viele Ansätze, wie man Qubits für Quantencomputer technisch umsetzt. In der Quantencomputing-Initiative der DLR werden dazu unter anderem Systeme auf Basis von Photonen, Neutralatomen und gefangenen Ionen entwickelt. Diese Ansätze sind technologisch sehr unterschiedlich und haben jeweils Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen mehr oder weniger attraktiv machen. Die Besonderheit von Spin-Qubits in Festkörper-Strukturen ist ihre hervorragende Miniaturisierbarkeit und Robustheit gegenüber äußeren Störungen. Das heißt, dass mit dieser Technologie immer kleinere und dichtere Qubit-Strukturen hergestellt werden können, eine Voraussetzung für Quantencomputer mit großen Qubit-Zahlen und damit hoher Rechenleistung.

Dass Festkörper-Spin-Qubits so robust sind, liegt an ihrer besonderen physikalischen Struktur: Die kristalline Struktur des Festkörpers schützt die in ihnen eingebetteten freien Elektronen, deren Spin als Qubit genutzt wird. Die beiden vom DLR beauftragten Unternehmen fügen gezielt Störungen im Kristallgitter eines Festkörpers ein: Einzelne Atome oder Moleküle, durch die sich freie Elektronen an bestimmten Stellen konzentrieren. Ein Spin kann durch Laser und Mikrowellenpulse präzise verändert und – solange sie nah genug beieinander liegen – mit den Spins der umgebenden Elektronen und Atome verbunden werden. Auf diese Weise entstehen Anordnungen von mehreren miteinander wechselwirkenden Qubits – die Grundlage für das Quantencomputing.

Advanced Quantum nutzt für seine Spin-Qubits Kristalle aus Siliziumcarbid. Der Mini-Quantencomputer mit zwei Qubits wird ungefähr so groß sein wie ein Umzugskarton. Er wiegt weniger als dreißig Kilogramm, kann bei Raumtemperatur und auf einem Tisch betrieben werden und benötigt nur eine gewöhnliche Steckdose zur Stromversorgung. Dieser Demonstrator soll anschaulich darstellen, wie ein Quantencomputer überhaupt funktioniert. Er eignet sich für Personen ohne Vorwissen, die Quantencomputer später im Arbeitsalltag einsetzen möchten – aber ebenso für Forscher aus der Quantenphysik und Interessierte aus der Industrie. Advanced Quantum unterstützt das mit einem didaktischen Kurskonzept für unterschiedliche Zielgruppen, mit Schwerpunkten von der Theorie über Experimente bis zu einer persönlichen Bewertung. Das flexible Konzept für Messen, Vorlesungen oder Schulungen wird laufend weiterentwickelt.

NVision entwickelt im Rahmen der DLR-Quantencomputing-Initiative einen Quantencomputer mit mindestens fünfzig Qubits. Diese befinden sich direkt in kristallinen Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Der Quantencomputer-Prototyp soll skalierbar und fehlerkorrigierbar sein. Das heißt, dass die Qubit-Zahl erhöht werden kann und Fehler durch den Quantencomputer selbst berichtigt werden können. Die Fehleranfälligkeit gilt als eines der größten Hindernisse beim Quantencomputing. Mit einem gut funktionierenden 50-Qubit-Quantencomputer könnten schon unterschiedliche Fehlerkorrektur-Algorithmen getestet werden. Außerdem ist die Lösung erster quantenchemischer Fragestellungen möglich. Perspektivisch soll NVision auch zeigen, wie sich die Technologie auf mehr als tausend Qubits erweitern ließe.

„Die DLR-QCI verfolgt unterschiedliche technologische Ansätze für Qubits, um die jeweiligen Vor- und Nachteile zu erforschen. Noch ist nicht klar, welche Architekturen für Quantencomputer sich letztlich durchsetzen werden – oder ob unterschiedliche Technologien für unterschiedliche Anwendungen notwendig sind. Deswegen setzt die DLR-Quantencomputing-Initiative auf Vielfalt und entwickelt neben der Hardware auch Algorithmen und Software für Quantencomputer. Damit werden Ergebnisse von Bau und Nutzung der Quantencomputer in einer Initiative miteinander verzahnt“, sagt Robert Axmann, Leiter der DLR-QCI. In den zwei Innovationszentren in Hamburg und Ulm entstehen Quantencomputer, die dazu notwendigen Technologien, Software und Anwendungen. Gleichzeitig unterstützt die DLR-QCI den Transfer in Märkte und gestaltet die Grundlage für ein weltweit konkurrenzfähiges Quantencomputing-Ökosystem in Deutschland.

DLR / RK


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