Quantencomputing in Deutschland snaQCs2025: Quantenfehlerkorrektur mit logischen Qubits

Quantencomputer haben enormes Potenzial. Ein Potenzial, das für Anwendungen außerhalb der Forschungslabore nur existent ist, wenn man die Quantenfehler in den Griff bekommt. In den internationalen Wettlauf ist jetzt der deutsche Forschungsverbund mit dem akademischen Namen snaQCs2025 eingetreten, an dem neQxt, das Fraunhofer IAF und Point 8 beteiligt sind.

Quantencomputer sind der neue „heilige Gral“ der Rechentechnik – so sagt man. Denn sie könnten hochkomplexe Berechnungen etwa in der Pharmakologie oder Materialwissenschaft unter bestimmten Bedingungen deutlich schneller als Supercomputer durchführen. Eines der Hindernisse auf diesem Weg ist, dass Quantencomputersysteme extrem anfällig gegenüber Temperaturschwankungen, Vibrationen, Magnetfeldern oder Mikrowellenstrahlung sind, die zu Quantenfehlern führen, die das Rechenergebnis verfälschen. Deswegen sind sogenannte Quantenfehlerkorrekturverfahren notwendig.

Bei den Korrekturverfahren werden mithilfe spezieller Methoden Fehler in den Berechnungen von Quantencomputern gefunden und korrigiert, um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu verbessern. An der aufeinander abgestimmten Entwicklung von Quantenfehlerkorrektur-Verfahren und Quantenalgorithmen arbeiten die neQxt GmbH, das Fraunhofer IAF und die Point 8 GmbH im Projekt snaQCs2025.

Praktische Anwendbarkeit von Quantencomputern

Dies soll die praktische Anwendbarkeit von Quantencomputern entscheidend voranbringen. Am 14. Januar 2026 fand das Kick-off in Köln statt. Die Start-ups bzw. Uni-Ausgründungen und Forschungsinstitute reihen sich damit nun auch in die Riege der internationalen Aktivitäten zum Quantencomputing ein. Forschungsförderung gab es auch: Das BMFTR fördert snaQCs für drei Jahre mit 2,5 Mio. Euro.

Schade ist, dass die Forschungslandschaft in Deutschland an dieser Stelle eigene Wege geht, statt sich an bestehenden Kooperationen zu beteiligen.

Im Rahmen des Projekts snaQCs2025 sollen mithilfe von Simulations- und Integrationsverfahren, Software-Tools für Analyse und Optimierung sowie skalierbarer und fehlerresistenter Quantenalgorithmen robuste logische Quantenbits (Qubits) für Quantencomputing-Hardware entwickelt werden. Dabei soll die Fehleranfälligkeit physikalischer Qubits kompensiert werden, um Quantencomputing einen großen Schritt näher in Richtung praktische Nutzung zu bringen.

Hintergrund: Wie funktioniert Quantencomputing?

Die wichtigste Komponente eines Quantencomputers ist das Qubit. Es übernimmt als zentrale Informationseinheit dieselbe Funktion wie das Bit beim konventionellen Computer. Weltweit arbeiten Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen an verschiedenen Ansätzen zur Erzeugung von Qubits: Atome in elektromagnetischen Fallen (Ionenfallen), Elektronen in Quantenpunkten, supraleitende Schaltkreise oder Kernspins in Festkörpern und Molekülen.

Im Gegensatz zum Bit kann ein Qubit mehrere Zustände (0 und 1) gleichzeitig annehmen (Superposition). Durch Quantenverschränkung sind zudem mehrere Qubits unabhängig von ihrer Distanz zueinander miteinander verbunden. Damit wird die Rechenleistung potenziert.

Alle Ansätze sind extrem fehleranfällig gegenüber Umgebungseinflüssen. Schon schwächste Mikrowellenpulse, Magnetfelder oder Temperaturschwankungen können die Superposition und Verschränkung von Qubits stören und die Berechnungen eines Quantencomputers kontaminieren. Deswegen ist die Quantenfehlerkorrektur notwendig.

Hierbei nutzt man die Verbindung mehrerer physikalischer Qubits – sogenannte logische Qubits – in denen die Fehler einzelner Qubits im Verbund ausgeglichen werden. Für die Skalierbarkeit von Quantencomputern ist dies entscheidend: Während die Fehleranfälligkeit bei einer steigenden Anzahl physikalischer Qubits steigt, sinkt sie durch ihre Verbindung zu logischen Qubits.

Logische Qubits, Quantenalgorithmen und Analyse-Software

Das Projekt snaQCs soll wie schon oben erwähnt dazu beitragen, die Vorteile logischer Qubits für Anwender zu erschließen und eine reale Nutzung von Quantencomputern voranzutreiben. Hierzu arbeiten die Verbundpartner auf verschiedenen Ebenen sowohl an der Entwicklung besonders zuverlässiger logischer Qubits, optimierter, anwendungsorientierter Quantenalgorithmen als auch neuartiger Software für die Datenanalyse und -charakterisierung.

Das Ziel besteht in der Bereitstellung einer vollständigen Entwicklungspipeline, die von der Simulation, Realisierung und Integration logischer Qubits in reale Quantencomputer über die Optimierung und Neuentwicklung anwendungsspezifischer wie skalierbarer Algorithmen bis hin zur datengestützten Validierung und iterativen Verbesserung der Methoden reicht. Die Entwicklung und experimentelle Implementierung der logischen Qubits erfolgt auf Basis des Ionenfallen-Ansatzes, der derzeit am besten entwickelt ist.

Überblick: Die Beiträge der Verbundpartner

Die Firma neQxt koordiniert das Verbundprojekt und zeichnet sowohl für die Simulation und Weiterentwicklung verschiedener Quantenfehlerkorrektur-Methoden als auch für die Implementierung der entwickelten logischen Qubits in bestehende Quantencomputing-Hardware verantwortlich.

Die Arbeiten am Fraunhofer IAF zielen darauf ab, Quantenalgorithmen zu identifizieren und zu optimieren sowie neue Algorithmen zu entwickeln, die speziell auf Quantenfehlerkorrektur-Codes zugeschnitten sind und eine effiziente Anwendung durch die Industrie ermöglichen. Im Fokus steht dabei insbesondere die Skalierbarkeit der Algorithmen.

Das Software-Unternehmen point8 entwickelt im Rahmen von snaQCs neuartige Tools für eine präzisere Analyse und Optimierung von Quantenfehlerkorrektur-Schaltkreisen. Zudem unterstützen die Software-Entwickler die Projektpartner kontinuierlich bei der experimentellen Datenanalyse und -charakterisierung.(kr)

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