Angeregte Zustände Planqc: Laserscharf fokussieren

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Planqc, eines der ersten Startups aus dem Munich Quantum Valley, hat die Blaupause für skalierbare Quantenrechner. Das Unternehmen baut gerade einen tausend Qubit starken Quantencomputer für das Leibniz-Rechenzentrum. Auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) will einen eigenen Planqc!

Ein Statusupdate vom LRZ: In einem Netzwerk von Forschungseinrichtungen und Industriepartnern tüftelt Planqc an einem digital programmierbaren Neutral‑Atom‑System mit über 1.000 Qubits für das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching bei München. Das Gerät wird im Rahmen des (MAQCS)‑Projektes als Co‑Prozessor in ein bestehendes HPC‑System integriert und soll noch vor 2027 eingeweiht werden.

MAQCS (kurz für „Multicore Atomic Quantum Computing System“) gilt als ein wichtiger Meilenstein für die deutsche Forschungs- und Innovationslandschaft. Das ambitionierte Ziel besteht darin, einen universell programmierbaren Quantencomputer auf Basis neutraler Atome in einer neuartigen Multicore-Architektur umzusetzen – mit dem Versprechen, Rechenleistung und Energieeffizienz auf ein neues Niveau zu heben.

Der MAQCS-Quantencomputer wird in den Munich Quantum Software Stack (MQSS) des LRZ integriert – eine hybride Supercomputing-Umgebung, die Hochleistungsrechnen (HPC) und Quantencomputer-Hardware miteinander verknüpft. Das Planqc-System soll als Beschleuniger für wissenschaftliche Simulationen und industrielle Anwendungen dienen. Nutzerinnen und Nutzer können über cloudbasierte Schnittstellen sowie direkte HPC-Workflows auf das System zugreifen.

Das System von Planqc erweitert das Quantencomputing-Portfolio des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) um eine dritte Architektur. Neben Radiance, dem 20-Qubit-System von IQM, das auf supraleitenden Schaltkreisen basiert, und dem 20-Qubit-Quantencomputer von AQT mit gefangenen Ionen, bringt Planqc nun einen völlig neuen Ansatz ins Spiel: Quantenprozessoren auf Basis neutraler Atome. Das erste Planqc-System am LRZ soll zunächst mit rund 100 Qubits an den Start gehen.

Durch die Kombination dieser drei unterschiedlichen Ansätze will das LRZ die Stärken jeder Technologie evaluieren und in verschiedenen Anwendungsfeldern – von der Simulation neuartiger Quantenmaterialien bis hin zur Optimierung komplexer Maschinenlernverfahren – ausloten. Mit dem Trio aus supraleitenden Qubits, Ionenfallen und neutralen Atomen positioniert sich das LRZ als Testlabor für die Quantenrechner der Zukunft.

Die wegweisende Initiative lässt sich das Bundeswirtschaftsministerium rund 20 Millionen Euro kosten. Unterstützt wird das Vorhaben vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), das zusammen mit dem LRZ als Konsortialpartner an Bord ist. Sie soll ein Fundament legen, auf dem künftig sowohl Grundlagenforschung als auch Industrieanwendungen aufsetzen.

Wo sich Neutralität rechnet

Planqc baut eine digital programmierbare Quantenplattform auf Basis neutraler Atome. Im Gegensatz zu Ionen besitzen diese Atome keine elektrische Ladung und stören sich daher kaum gegenseitig, was zu längeren Kohärenzzeiten führt. Die Technologie kombiniert Erkenntnisse aus Atomuhren, Quanten-Gasmikroskopie und Hochgeschwindigkeits-Photonik, um in kurzer Zeit von Hunderten auf Tausende Qubits zu skalieren.

Planqc nutzt vor allem Atome von Rubidium oder Strontium (insbesondere Isotope 84 und 87), kühlt sie auf Mikrokelvin-Temperaturen herunter und hält sie in einem ultrahohen Vakuum. (Rubidium wird häufig für Bose-Einstein-Kondensate eingesetzt, da es sich gut mit Lasern manipulieren lässt.)

„Unsere Atome sind mehr als eine Million Mal kälter als der tiefste Weltraum [und über tausend Mal kälter als supraleitende Qubits von IBM oder Google], und doch können wir unsere Computer in einer Umgebung bei Raumtemperatur betreiben“, erklärt Johannes Zeiher, Mitgründer von Planqc und Forscher am MPQ. Dies sei möglich „dank der nahezu perfekten Isolation unserer Qubits von der Umgebung“.

Durch präzise Laser- und Mikroskopietechniken werden diese Atome in optischen Lichtgittern gefangen, gezielt entkoppelt und über Rydberg-Gates miteinander verschaltet. Die Gates basieren auf der gezielten Kopplung zwischen Grundzuständen und Rydberg-Zuständen.

Rydberg-Zustände entstehen, wenn Elektronen in extrem hoch angeregte Zustände mit sehr großen Hauptquantenzahlen (z. B. n ~ 50 oder höher) überführt werden. Diese Zustände haben riesige elektrische Dipolmomente (oft mehrere tausend Debye), was starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen über Mikrometer-Distanzen erlaubt. Dadurch können Atome, die sonst nicht miteinander wechselwirken, in einen "blockierten" Zustand gebracht werden (Rydberg-Blockade), was für Quanten-Gates genutzt wird. Diese Phänomena sind Grundlage für quantenlogische Operationen zwischen benachbarten Atomen – etwa kontrollierte Phasen- oder CNOT-Gates (Controlled-NOT-Gate).

Die Geschwindigkeit der Gates ergibt sich aus der starken Dipol-Dipol-Wechselwirkung beziehungsweise dem Rydberg-Blockade-Effekt. Ein Atom im Rydberg-Zustand verhindert, dass ein benachbartes Atom ebenfalls angeregt wird. Durch präzise Laser- oder Mikrowellenpulse lassen sich Gate-Zeiten im Mikrosekundenbereich realisieren. Neue Protokolle nutzen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und mehrstufige Rydberg-Niveaus, um die Gates noch schneller und robuster gegen Dekohärenz zu machen.

Die Lichtgitter lassen sich je nach Anwendung in 1D-, 2D- oder 3D-Anordnungen konfigurieren und auf Hunderte oder sogar Tausende Qubits erweitern. Sie erlauben hohe Qubit-Dichten und lange Kohärenzzeiten. Planqc kontrolliert und manipuliert bereits routinemäßig über 2.000 Atome in optischen Gitter-Simulatoren am MPQ.

Die Qubits werden durch zwei definierte innere Zustände eines Atoms repräsentiert, meist Hyperfein-Niveaus. Je nach gewählter Atomart und Architektur ließen auch andere Zustände – etwa Zeeman-Niveaus, Feinstrukturniveaus oder direkte Rydberg-Übergänge – als Qubit-Basis nutzen. Planqc hingegen setzt überwiegend auf Hyperfein-Zustände, da sie sich besonders gut für die kohärente Kontrolle und lange Speicherzeiten eignen.

Hyperfein-Zustände entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Kernspin und dem Elektronenspin eines Atoms. Diese feine Kopplung führt zu einer zusätzlichen Aufspaltung der Energieniveaus (Hyperfeinaufspaltung), die besonders gut für die Definition stabiler Qubit-Zustände genutzt werden kann.

Die starke Dipol-Dipol-Wechselwirkung ist Grundlage für Zwei-Qubit-Gatter wie das Controlled-Z oder CNOT. Diese stellen zentrale Bausteine für universelle Quantenlogik dar.

Um Zwei-Qubit-Gates zu realisieren, werden die Atome gezielt in Rydberg-Zustände angeregt. Dabei wird ein Elektron in ein weit entferntes Orbital gehoben. In diesem Zustand entwickeln die Atome starke elektrische Dipole und können über relativ große Distanzen wechselwirken (Dipol-Dipol-Wechselwirkung).

Während sich die Atome normalerweise kaum beeinflussen, ermöglicht die Rydberg-Anregung eine kontrollierte Wechselwirkung, die zur Umsetzung von Gate-Operationen genutzt wird. Nach dem Gate-Vorgang kehren die Atome in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Planqc kann jedes Atom individuell adressieren – durch fokussierte Laserstrahlen, die sogenannten „optischen Pinzetten“. Auf diese Weise lassen sich flexible Gittermuster erzeugen und fehlerhafte Atome ersetzen (rekonfigurieren).

Zum Auslesen der Ergebnisse bestrahlt man die Atome mit Laserlicht, das nur einen der beiden Zustände anregt. Leuchtet ein Atom, befindet es sich beispielsweise im Zustand |1⟩; bleibt es dunkel, entspricht das dem Zustand |0⟩. Der logische Qubit entsteht in fein aufgelösten Übergängen oder hyperfeinen Niveaus. Daraus ergeben sich Kohärenzzeiten im Sekunden-Bereich, deutlich höher als bei supraleitenden Qubits.

Nachschub für das Quantenregister

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Johannes Zeiher, Forschungsgruppenleiter in Immanuel Blochs Abteilung für Vielteilchensysteme und Mitgründer des MPQ-Spin-offs Planqc, hat Ende des vergangenen Jahres (2024), in Zusammenarbeit mit Planqc, bedeutende Fortschritte bei der Skalierung von Quantencomputing-Plattformen mit neutralen Atomen vermeldet. In einem Experiment am Max-Planck-Institut für Quantenoptik gelang es den Forschenden, ein Register aus 1200 Atomen in einem optischen Gitter aus Laserlicht aufzubauen und über eine Stunde lang kontinuierlich zu betreiben.

Bisher waren Anordnungen dieser Größenordnung aufgrund unvermeidbarer Atomverluste schwer aufrechtzuerhalten.

Selbst unter Ultrahochvakuumbedingungen können einzelne Atome durch Zusammenstöße mit Restgasen aus dem Register entfernen. Zudem können kleinste Schwankungen in der Laserleistung oder Positionierung durch spontane Emission oder Fluktuationen einzelne Atome ungewollt aus dem Gitter „herausheizen“. Auch durch äußere Einflüsse wie elektromagnetisches Rauschen können Atome in energetische Zustände wechseln, in denen sie nicht mehr stabil im Gitter bleiben.

Je größer das Register, desto mehr Atome gehen verloren, was das System im Laufe der Zeit anfälliger für störende Fehler macht. Dieses Problem konnten die Forschenden durch eine ausgeklügelte Technik lösen.

Johannes Zeiher und sein Team integrierten in ihr experimentelles Setup eine Art Nachladezone, das mit dem Erdalkalimetall Strontium arbeitet. Alle 3,5 Sekunden werden daraus etwa 130 Atome in das Qubit-Register nachgeladen. Dadurch wird es möglich, das Register prinzipiell beliebig lange im stabilen Zustand und ohne Unterbrechungen zu betreiben.

„Diese Technik, bei der wir verlorengegangene Atome in Echtzeit ersetzen können, ist ein wichtiger Schritt für die praktische Nutzung von Quantentechnologien“, erklärt Johannes Zeiher, Leiter des Experiments. Denn nur durch unterbrechungsfreien und langanhaltenden Betrieb der Systeme würden großskalige Quantenberechnungen, Simulationen und Messungen möglich werden.

Eine bevorstehende Herausforderung besteht darin, den elektronischen Zustand der Atome unter Kontrolle zu bekommen – etwa mit optischen Pinzetten (gemeint sind enge, bewegliche Laserfallen) – sodass jedes einzelne Atom im Register zu einem Qubit wird, das Quanteninformation speichert. Durch gezielte Wechselwirkungen zwischen benachbarten Atomen im Array können Forschende anschließend Quantenverschränkung erzeugen, ein Phänomen, das jeder Quantenberechnung zu Grunde liegt.

„Um einen Quantenalgorithmus auszuführen, der industriell relevant ist, brauchen wir Tausende von Qubits, die wiederum stundenlang arbeiten müssen, um Fehlerkorrekturprotokolle durchzugehen,“ enthüllt Stepan Snigirev, Lead Quantum Engineer bei Planqc und Co-Autor des Forschungsberichtes. Die Ergebnisse könnten den Weg dahin ebnen, solche großen Register auch für die Erforschung kurzfristiger Anwendungen kontinuierlich zu betreiben.

Quäntchen für Quäntchen innovieren

Planqc ist ein Spin-off des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Das Jungunternehmen baut unmittelbar auf der bahnbrechenden Grundlagenforschung dieser renommierten Institutionen auf. Akademische Spitzenleistungen und unternehmerischer Gestaltungswille gehen hier Hand in Hand.

Im Kern von Planqc steht ein erfahrenes Gründerteam mit jahrzehntelanger internationaler Forschungserfahrung im Bereich neutraler Atome für Quantencomputer. So entstand eine einzigartige Kombination aus akademischer Exzellenz und anwendungsorientierter Entwicklungskompetenz.

Die wissenschaftlichen Gründer - Prof. Dr. Johannes Zeiher, Alexander Glätzle, Sebastian Blatt, und Lukas Reichsöllner - stammen aus der Spitzenforschung am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) Dr. Sebastian Blatt, Mitgründer und Chief Technology Officer (CTO), brachte tiefgreifende Expertise aus der Quantenoptik und Atomphysik mit. Als Assistant Professor an der University of Colorado Boulder hatte er zuvor unter anderem am JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) an Schlüsseltechnologien wie optischen Atomuhren und neutralen Atomen geforscht.

Dr. Alexander Glätzle, Mitgründer und CEO, ist ein ausgewiesener Experte für Quantenoptik und theoretische Quanteninformationsverarbeitung. Nach seiner Promotion an der Universität Innsbruck forschte er am Max-Planck-Institut für Quantenoptik an Konzepten für skalierbare Quantencomputer auf Basis neutraler Atome. Seine theoretischen Beiträge bilden das Fundament für viele der heute verfolgten Architekturen und Ansteuerungsmethoden bei Planqc.

Prof. Dr. Johannes Zeiher, Mitgründer und Principal Scientist, verfügt über umfassende Erfahrung in der Kontrolle und Manipulation neutraler Atome für Quantenanwendungen. Als Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik leitete er wegweisende Experimente zu Quantensimulationen und Quantenmagnetismus. Seine Arbeiten legten wichtige Grundlagen für skalierbare, atomare Quantencomputer-Architekturen.

Lukas Reichsöllner, Mitgründer und Head of Operations, bringt fundierte Erfahrung in der experimentellen Quantenphysik und im Aufbau komplexer Lasersysteme ein. Nach seiner Promotion an der Universität Innsbruck arbeitete er am Max-Planck-Institut für Quantenoptik an der Entwicklung und präzisen Steuerung von neutralen Atomen in optischen Gittern. Bei Planqc verantwortet er die operative Umsetzung der technologischen Roadmap und den Transfer aus dem Labor in die industrielle Anwendung.

Mehrfach preisgekrönte Forschung

Unterstützt wird das Team von einem herausragenden wissenschaftlichen Beirat. Dazu zählen Prof. Dr. Immanuel Bloch und Prof. Dr. J. Ignacio Cirac, beide Direktoren am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und international bekannt für ihre bahnbrechenden Arbeiten zur Quantensimulation und Quanteninformation, sowie Prof. Dr. Dieter Jaksch, Experte für Quantenalgorithmen und Professor für Physik an der University of Oxford und der Universität Hamburg. Diese Persönlichkeiten sind absolute Schwergewichte in der Quantenforschung.

Wenn akademische Exzellenz auf praxisnahe Kompetenz trifft, rückt die kommerzielle Anwendbarkeit der Forschung in greifbare Nähe.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat im Rahmen seiner Quantum Computing Initiative einen prestigeträchtigen Auftrag über 29 Millionen Euro an das Garchinger Start-up Planqc vergeben. Gemeinsam mit Partnern wie Menlo Systems, die die hochpräzisen Lasersysteme liefern, soll bis Ende 2026 ein digital programmierbarer Quantencomputer auf Basis neutraler Atome mit mehr als 100 Qubits entstehen.

Damit zieht Ulm in die europäische Spitzenliga mit den ersten programmierbaren Neutral-Atom-Quantencomputer „made in Germany“.

Fazit

Planqc gestaltet die Zukunft der Quantencomputer mit Licht – getragen von visionärer Forschung und tatkräftiger Umsetzungskompetenz. Das Geheimnis: Man muss laserscharf fokussieren. So kommt die Quantenrevolution ins Rollen. (mbf)

* Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeiten für McKinley Denali, Inc., USA.

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