Kryogenischer Aufbau und Ansteuerung eines supraleitenden Quantencomputers am Forschungszentrum Jülich

Kryogenischer Aufbau und Ansteuerung eines supraleitenden Quantencomputers am Forschungszentrum Jülich (Bild: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau )

Für Jülich ist Quantencomputing kein Neuland. Erst Anfang 2022 startete ein Quantenannealer mit 5000 Qubits. Nun will das Forschungszentrum mit vielen Partner im Projekt QSolid einen Schritt weiter gehen und einen eigenen Quantenrechner aus deutscher Technologie fertigen. Das wäre damit Deutschlands erster Quantencomputer. Das sei auch nötig, denn „die eigenständige Erforschung und der Aufbau von Quantencomputern ist ein zentraler Baustein zukunftsfähiger digitaler Souveränität für Deutschland“, heißt es auf der Projektseite.

Der Quantencomputer soll bereits frühzeitig in die Supercomputer-Infrastruktur am Forschungszentrum Jülich eingebunden werden und über mehrere supraleitende Quantenprozessoren der nächsten Generation verfügen, darunter ein „Moonshot“-System, das klassischen Computern hinsichtlich der Rechenleistung nachweislich überlegen ist. Laut Projektkoordinator Prof. Frank Wilhelm-Mauch vom Forschungszentrum Jülich, handelt es sich dabei um ein System mit einer Leiter von Qubits, die mit vollständig kontrollierbaren Resonatorzuständen gekoppelt sind, die eine hochgradig zuverlässige Quantenkontrolle über einen Zustandsraum der Dimension d=2100] demonstrieren, d. h. von einer Größe, die nicht klassisch simulierbar ist, und die sich nachweislich quantenmechanisch verhalten und somit überprüfbar über eine Rechenleistung jenseits klassischer Computer verfügt. Es mixt 30 Qubits mit Resonatoren, die sich wie Qudits (können mehr als drei Werte darstellen) verhalten

Ein erster Demonstrator soll ab Mitte 2024 in Betrieb gehen und Tests von Anwendungen sowie Benchmarks für Industriestandards ermöglichen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 76,3 Millionen Euro für die nächsten fünf Jahren gefördert.

Das plant das Projekt QSolid

Vorgesehen ist ein System, das Quantenprozessoren enthält, die auf supraleitenden Schaltkreisen der nächsten Generation mit reduzierter Fehlerrate beruhen. Der Ansatz gilt als weltweit führend und wird unter anderem auch von Google, IBM und Intel verfolgt. Die Multiprozessor-Maschine am Forschungszentrum Jülich soll mindestens drei unterschiedliche Quantenchips parallel betreiben: ein „Moonshot-System“, dessen Rechenleistung die klassischer Superrechner übertrifft, ein anwendungsspezifisch designtes System, das bereits für industriell nützliche Quantenberechnungen geeignet ist, sowie eine Benchmarking-Plattform, die vorrangig auf die Entwicklung digitaler Zwillinge und industrieller Standards ausgerichtet ist. Kernelement ist die Kombination eines Qubit-Doppelstrangs mit Resonatoren.

Wie die Forscher die Qualität der Quantenbits steigern wollen

Die Fehleranfälligkeit der Quantenbits, kurz Qubits, gilt als Knackpunkt bei der Quantencomputer-Entwicklung. Die Quantenzustände, die zur Speicherung der Quanteninformation genutzt werden, reagieren äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse. Oftmals werden sie gestört, bevor alle Rechenoperationen abgeschlossen sind.

„Die Optimierungen, die uns vorschweben, fangen bei besonders fehlerarmen supraleitenden Schaltungen der nächsten Generation an, die wir unter anderem durch hochpräzise Fertigungsmethoden und neue Materialsysteme erreichen wollen. Entscheidend sind aber auch die optimale Kontrolle der Quantenbits sowie hochmoderne Fehlervermeidungsverfahren mittels künstlicher Intelligenz (KI) auf Firmware-Level, wo wir mit QSolid neue Maßstäbe setzen wollen“, erläutert Projektkoordinator Prof. Frank Wilhelm-Mauch. So soll die Kohärenzzeit, über den sich Qubits in einem verschränkten Zustand befinden, verlängert werden.

Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten

Themenschwerpunkt Quantencomputer auf all-electronics.de
(Bild: Bartek Wróblewski – Adobe Stock)

Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.

Der Fokus liegt auf der Verbesserung der Qualität der Quantenbits, die wir in QSolid auf allen Ebenen vorantreiben.

Projektkoordinator Prof. Frank Wilhelm-Mauch vom Forschungszentrum Jülich
QSolid-Projektkoordinator Prof. Frank Wilhelm-Mauch vom Forschungszentrum Jülich
QSolid-Projektkoordinator Prof. Frank Wilhelm-Mauch vom Forschungszentrum Jülich (Bild: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau)

Um das große Ziel eines eigenständigen Quantencomputers aus deutscher Herstellung zu erreichen, führt QSolid Forschungseinrichtungen, Unternehmen und Startups aus Deutschland zusammen. Sieben Institutsbereiche des Jülicher Peter Grünberg Instituts bringen ihre Expertise in das Projekt ein, neben dem Jülich Supercomputing Centre (JSC) sowie dem Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-2) und der Ausgründung Qruise des Forschungszentrums Jülich, die ebenfalls wichtige Aufgaben übernehmen. Fachwissen steuern weitere Forschungspartner bei, zu denen die Fraunhofer-Institute IPMS und ASSID IZM, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Leibniz-IHPT in Jena, die Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik sowie die Universitäten in Ulm, Stuttgart, Berlin (FU Berlin), Konstanz, Köln und Düsseldorf gehören.

Das sind die Projektpartner bei QSolid

Forschungszentrum Jülich GmbH, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., Karlsruher Institut für Technologie, Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V., Parity Quantum Computing Germany GmbH, HQS Quantum Simulations GmbH, Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co. KG, Universität Ulm, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Universität Stuttgart, Freie Universität Berlin, IQM Germany GmbH, Universität zu Köln, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, supracon AG, Racycs GmbH, Admos GmbH, Universität Konstanz, LPKF Laser & Electronics Aktiengesellschaft , ParTec AG, Atotech Deutschland GmbH, Atos Information Technology GmbH, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, Zurich Instruments Germany GmbH, Globalfoundries

Beim Aufbau der supraleitenden Quantenarchitektur profitiert QSolid von der Erfahrung von Prof. Rami Barends, der im Herbst letzten Jahres aus dem Forschungsteam von Google ans Forschungszentrum Jülich gewechselt ist. Die Fertigung der Quantenprozessoren der nächsten Generation wird zu großen Teilen in der Helmholtz Nano Facility am Forschungszentrum Jülich erfolgen. Der 1.000 Quadratmeter große Reinraumkomplex der Helmholtz-Gemeinschaft ist mit modernen Anlagen für die Herstellung und Charakterisierung von Quantenbauelementen ausgestattet; bis 2025 wird dieser noch ergänzt werden durch das Helmholtz-Quantum Center (HQC), eine Laborinfrastruktur, die speziell für das Quantencomputing ausgelegt ist.

Wann gibt es den ersten Quantencomputer aus Deutschland?

Erste Vorläufer der geplanten Demonstratoren in QSolid werden am Leibniz-IHPT in Jena produziert und bereits für das Jahr 2024 erwartet. Das IHPT verfügt bereits über eine bestehende Fertigungslinie für supraleitende Schaltungen, die im Rahmen des Projekts zu einer Pilotlinie für supraleitende Quantenschaltkreise ausgebaut werden soll. Dabei wurden wichtige Vorarbeiten zum Erreichen der Projektziele bereits geleistet. Ergebnisse des europäischen Flaggschiffprojekts OpenSuperQ sowie der 2021 gestarteten Verbundprojekte DAQC und GeQcos fließen in die Arbeiten von QSolid ein. (Lesen Sie auch: Welche weiteren Forschungsprojekte es für Quantencomputer gibt)

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