Komplexe Problemstellungen lösen Quantenprozessoren: Industrielle Fertigung vor Durchbruch

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Die industrielle Fertigung von Quantenprozessoren (QPUs) steht laut Infineon und Kooperationspartner Oxford Ionics vor dem Durchbruch. Basis der QPUs bilden Ionenfallen und eine besondere elektronische Qubit-Steuerung (EQC). Noch Ende 2022 sollen erste Lösungen verfügbar sein.

Infineon Technologies (Infineon) und Oxford Ionics wollen gemeinsam vollintegrierte Quantenprozessoren (Quantum Processing Units, QPUs) entwickeln und fertigen. Konkret soll die von Oxford Ionics mit Infineon-Knowhow auf dem Gebiet der Ionenfallenmodule ergänzt und in den Fabs des Neubiberger Unternehmens produziert werden. Dies soll die Grundlagen für die industrielle Herstellung von QPUs mit Hunderten von Qubits in den nächsten fünf Jahren schaffen. Laut Infineon ist das Ziel, „die Quanten-Computing-Technologie aus dem Forschungslabor zu holen und in die Industrieanwendung zu überführen“.

Eine besondere Rolle in dieser Kooperation spielen die erwähnten Ionenfallen von Infineon. Diese Fallen sind ein Kernelement zum Aufbau von Quantencomputern, mit denen sich beispielsweise komplexe Optimierungsprobleme lösen lassen, die mit herkömmlichen Computern nicht adressierbar sind. Doch eine zuverlässige Fertigung solcher Fallen, zumal im industriellen Maßstab, ist sehr schwierig. Bereits seit 2016 forscht das Unternehmen primär an seinem Standort Villach in Österreich daran, wissenschaftliche Erkenntnisse im Bereich Quantentechnologien mit industrieller, hochskalierter Fertigung zu kombinieren.

Problem: Leistung steigern und gleichzeitig Skalierbarkeit verbessern

„Die große Herausforderung beim Quantencomputing besteht in der Skalierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit“, erklärt Chris Ballance, Mitgründer von Oxford Ionics. Es gebe Technologien, die eine Skalierung ermöglichen, aber keine Leistungserhöhung bringen. Und es gebe Technologien, die die Leistung steigern, aber keine Skalierung zulassen. Seinem Unternehmen sei es gelungen, eine elektronische Steuerung zu entwickeln, die beides könne.

Durch die Zusammenarbeit mit Infineon könne Oxford Ionics die flexiblen Halbleiterprozesse des Unternehmens nutzen – und so „die Zeit bis zu einer kommerziellen QPU verkürzen“, hofft der Oxford-Ionics-Chef. Die eigenen Prozessoren könnten mit „marktführenden Fehlerraten“ punkten, wodurch sie „erheblich weniger Qubits zum Lösen von sinnvollen Fragestellungen“ als andere Technologien benötigen würden.

Entwicklung von Quantencomputern ist schwierig

Qubits haben anders als ein digitales Bit nicht nur zwei Zustände, sondern beliebig viele, die sich überlagern. Diese Überlagerung ist einerseits der Vorteil von Qubits für bestimmte Berechnungen, andererseits aber auch ein Nachteil: Denn um Qubits für Berechnungen nutzen zu können, muss es möglich sein, die Qubits präzise zu beeinflussen – quasi zu programmieren – und schließlich auszulesen. Gleichzeitig müssen die Qubits möglichst gut von der Außenwelt abgeschirmt werden, da sie sonst extrem leicht ihren Zustand ändern können und das Ergebnis damit unbrauchbar ist. Das klingt ein bisschen nach der Quadratur des Kreises.

Die Qubits eines Quantencomputers können sich gemeinsam in einem verschränkten Quantenzustand befinden. Dadurch erreicht der Quantencomputers einen sehr hohen Grad an Parallelität, was die Grundlage für seine extrem hohe Rechenleistung ist. Vereinfacht gesagt enthält das verschränkte Quantenregister alle möglichen Lösungen der programmierten Aufgabe gleichzeitig. Beim Auslesen „friert“ die richtige Lösung mit großer Wahrscheinlichkeit ein. Das gilt zumindest für jene Aufgaben, für die sich Quantencomputer eignen. Ein konventioneller Computer dagegen muss alle Lösungswege einzeln nacheinander durchrechnen.

Industrielle Fertigung wichtig für Erfolg der Quantentechnik

Tatsächlich ist es laut Infineon schwierig, die Parallelität der Qubit-Zustände für allgemeine Berechnungen nutzen zu können. Bislang gebe es keine Betriebssysteme oder Programmiersprachen, auf deren Basis sich die Rechenleistung von Quantencomputern für allgemeine Aufgaben leicht nutzen ließe. Daher wurden bisher auch nur erste rudimentäre Quantencomputer und die dazugehörige Spezialsoftware für einzelne hochspezifische und genau abgegrenzte Aufgaben entwickelt. Breiter nutzbare Lösungen müssten eine zunehmende Zahl von Qubits steuern und die Quantenfehlerraten auf oder unter dem aktuellen Stand der Technik halten können.

Experten sind sich sicher, dass dies gelingen wird und dass Quanten-Computing Unternehmen in vielen Industriezweigen bislang ungeahnte Möglichkeiten eröffnet, ihre Prozesse und Fähigkeiten radikal zu verbessern. Dazu müssen allerdings die Qubit-Technologien in großem Maßstab produzierbar sein, geben die Kooperationspartner an. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung sei die EQC-Technik von Oxford Ionics: Diese böte eine Möglichkeit zur Integration von Ionenfallen-Qubits – der aktuell führenden Qubit-Technologie bezüglich der Quantenfehlerraten – in die ausgereiften Halbleiterprozesse von Infineon.

Ziel: Zugriff auf erste Quantencomputer in der Cloud ab Ende 2022

Seine ersten Produkte will Oxford Ionics kommerziellen Akteuren noch Ende 2022 über die Cloud zugänglich machen. Vollintegrierte Versionen mit ausreichend hoher Leistung zur Skalierung auf Hunderte von Qubits sollen in weniger als zwei Jahren verfügbar sein. Letztlich wollen Infineon und Oxford Ionics innerhalb von fünf Jahren einzelne, vollintegrierte QPUs anbieten, die Hunderte von Qubits zugänglich machen. Diese werden dann „mithilfe der Quanten-Netzwerktechnologie von Oxford Ionics vernetzt werden und ein Quanten-Supercomputing-Cluster bilden“.

„Die Rolle von Infineon ist es, die Arbeit von Oxford Ionics so zu skalieren, dass relevante Qubit-Zahlen und niedrige Fehlerraten erreicht werden“, sagt Stephan Schächer, Director of New Application, Innovation and Quantum Computing bei der Industrie Division von Infineon.

Weitere Ansätze für Quanten-Computing

Nach eigenen Angaben bietet Infineon eine fortgeschrittene Technologieplattform für maßgeschneiderte Fallen, die prognostizierbar, wiederholbar und zuverlässig sind. Auf Basis dieser Plattform bahnt Infineon den Weg zu Tausenden von Qubits durch Zusammenarbeit mit Partnern für kryofähige Steuerelektronik und Optikintegration. Dadurch könnten sich Forscher und Unternehmen auf ihre Kernaufgaben konzentrieren, die Grenzen von Wissenschaft und Forschung erweitern und Quantencomputing-Systeme entwickeln, die Industrie und Forschung das Lösen von relevanten Problemen ermöglichen.

Neben den Ionenfallen verfolgt Infineon noch weitere Ansätze für Quanten-Computing, etwa supraleitende und halbleiterbasierte Qubits. Als Mitgründer des Quantum Technology and Application Consortium (QUTAC) unterstützt Infineon das Thema von der Technologie bis zur umsetzbaren Anwendung.

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