Hardware mit Ionenfallen Quantencomputer mit in den Chip integrierter Photonik

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Das BMFTR-Projekt SmaraQ soll Quantencomputer-Hardware auf Basis von Ionenfallen weiter skalieren: Dabei ersetzen lithografisch hergestellte UV-Lichtwellenleiter auf dem Chip optische Freistrahltechniken. Darüber hinaus zielt das Projekt darauf ab, eine nachhaltige (deutsche) Lieferkette für diese Bauelemente aufzubauen.

Quantencomputer sind völlig neuartige und extrem leistungsfähige Computer, die mit herkömmlichen Rechnern nichts gemein haben. Sie bergen enormes Potenzial für viele Anwendungsbereiche. Beispiele sind Optimierungs- und Simulationsprobleme in der Quantenchemie, Materialwissenschaft, Pharmaforschung, Logistik, Finanzplanung etc.

Ein Ansatz für die Herstellung und Speicherung von Quantenbits (Qubits) bilden Ionenfallen, bei denen Magnetfelder die Ionen in der Schwebe halten. Derartige Hardware lässt sich gut skalieren und auch die 2-Qubit-Fehlerraten hat man gut im Griff. Mithilfe von Lasern im UV- bis IR-Spektrum lassen sich die Ionen speichern, kühlen und auslesen.

Um die Anzahl der Qubits zu skalieren (nur ab 50 Qubits, der sogenannten Quantenusefulness, rechnen Quantencomputer schneller als Supercomputer), muss die Freistrahloptik durch integrierte photonische Komponenten (UV-Wellenleiter) direkt auf dem lonenfallen-Chip ersetzt werden.

Forschungsprojekt SmaraQ

QUDORA Technologies, AMO und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF haben sich im Forschungsprojekt SmaraQ zusammengeschlossen, um derartige integrierte photonische Komponenten für Quantencomputer auf Basis von Ionenfallen zu entwickeln..

Qubits und Kohärenzzeiten in Ionenfallen-Quantencomputern lassen sich besonders gut steuern, wenn die proprietäre NFQC-Technik (Near Field Quantum Control) von QUDORA für die Ausführung von Quantengattern genutzt wird, so die Projektpartner. Mit zunehmender Größe dieser Systeme wird es jedoch immer schwieriger, einen präzisen optischen Zugang zu jedem Qubit für die Initialisierung und Laserkühlung aufrechtzuerhalten.

Bislang kommen zu diesem Zweck Freiraum-Laserstrahlen aus großen, komplexen optischen Systemen zum Einsatz, was sowohl die maximale Prozessorgröße als auch die Gesamtzahl der nutzbaren Qubits begrenzt. Im Projekt SmaraQ begegnet man dieser Herausforderung mit der Entwicklung von UV-Wellenleitern und photonischen Komponenten auf Basis von Aluminiumnitrid (AlN) und Aluminiumoxid (Al₂O₃), die direkt auf Ionenfallen-Chips integriert werden können.

„Die On-Chip-Integration ist der Weg in die Zukunft für das Quantencomputing mit Ionenfallen“, erklärt Dr. Maik Scheller, Head of Photonics bei QUDORA. „Wir entwickeln Wellenleiterstrukturen im Nanometerbereich, die das Licht mit haarscharfer Präzision genau dorthin bringen, wo unsere Ionen-Qubits es benötigen.“

Quantencomputer: Deutsche Lieferkette

Das Projekt vereint komplementäre Kompetenzen: QUDORA Technologies fungiert als Koordinator und Systemintegrator und ist dafür verantwortlich, die Technologie über den Projektzeitraum hinaus zur Marktreife zu bringen. Das Fraunhofer IAF betreibt Materialforschung und produziert epitaktische Dünnschicht-AlN-Wafer. AMO nutzt Fertigungskapazitäten im Bereich der Nanotechnologie, um die photonischen Komponenten auf die Chips zu bringen. Diese Zusammenarbeit etabliert eine widerstandsfähige Lieferkette mit Sitz in Deutschland für die genannten Basistechnologien.

Durch die Chip-lntegration ist eine Miniaturisierung und Skalierung von lonen-Quantencomputern realisierbar, welche mit schrankfüllenden Freistrahl-Optiken nicht möglich ist. Eine photonische Lösung im UV-Bereich mit Polarisationskontrolle stellt nach Meinung der Beteiligten einen Durchbruch für Quantencomputer dar, kann jedoch auch z.B. für Sensorik oder neuartige Kommunikationsmittel (Augmented/Virtual Reality) verwendet werden.

Das Projekt ist nach dem Smaragdkolibri benannt und spiegelt mit seinem Fokus auf Miniaturisierung und Präzision sowie seiner Arbeit im ultravioletten (UV) Spektrum die Fähigkeit des winzigen Vogels wider, UV-Licht wahrzunehmen und mit einer laserhaften Genauigkeit auf kleinsten Maßstäben zu navigieren.

Das Vorhaben wird vom BMFTR im Rahmen der Förderinitiative Enabling Technologies für resiliente F&E-Lieferketten in den Quantentechnologien unterstützt. Sie zielt darauf ab, die technologische Souveränität in kritischen Lieferketten der Quantentechnologie zu stärken und gleichzeitig die führende Position Deutschlands und Europas im Bereich Quantencomputing und Quantensensorik zu festigen.(kr)

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