Quantencomputer „Made in Germany“ „Zukunftstechnologie nicht anderen Ländern überlassen“

Quantencomputer haben riesiges Potenzial, lassen sich bislang aber nicht kommerziell nutzen. Ein neues, hochkarätig besetztes Verbundprojekt soll das ändern – und dafür sorgen, dass Deutschland in dieser potenziell disruptiven Technik nicht ins Hintertreffen gerät.

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Wie lassen sich Quantencomputer optimieren, industriell fertigen und kommerziell nutzen? Antworten darauf sucht das Verbundprojekt „German Quantum Computer based on Superconducting Qubits“, kurz GeQCoS. Darin haben sich Deutschlands auf dem Gebiet der supraleitenden Quantenschaltkreise führenden Forschungsinstitute und Unternehmen zusammengeschlossen, um innovative Konzepte für den Bau eines verbesserten Quantenprozessors zu entwickeln und die Industrialisierung des Quantencomputings voranzutreiben. Unter anderem bringt der Halbleiterhersteller Infineon seine Expertise in der industriellen Herstellung von Spezialhalbleiterchips sowie aus Ansätzen des Quantencomputings ein – etwa den Aufbau von Ionenfallen.

Quantencomputer haben ohne Frage disruptives Potenzial. In etlichen Anwendungsbereichen könnten sie bisher eingesetzte, auf herkömmlichen Computer-Architekturen basierende Rechner schnell ablösen – wäre da nicht das Problem, dass die Superrechner bislang nicht kommerziell verfüg- und nutzbar sind. Sie könnten beispielsweise Simulationen von komplexen Molekülen für die Chemie- und Pharmaindustrie, komplizierte Optimierungen für die Automobil- und Luftfahrtindustrie oder neue Erkenntnisse aus der Analyse komplexer Finanzdaten berechnen.

Verbesserungen auf allen Ebenen nötig

Bislang sind Quantenrechner allerdings darauf beschränkt, spezifische akademische Problemstellungen zu meistern und grundlegend ihre Funktionsweise zu demonstrieren. Was bislang fehlt, ist eine geeignete Architektur zum Berechnen praxisrelevanter Probleme. Daher sind weitere Verbesserungen auf allen Ebenen nötig, von den elementaren Hardware-Bausteinen, den Qubits (kurz für Quantenbits), über die eingesetzte Betriebs- und Bediensoftware bis hin zu den Applikationen.

Im Verbundprojekt soll nun innerhalb von vier Jahren ein zukunftsweisender Quantenprozessor auf der Basis supraleitender Qubits mit grundlegend verbesserten Bauelementen entwickelt und seine Fähigkeiten an einem Prototyp am Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften demonstriert werden. Bei dieser Technologie werden die Qubits durch widerstandslos fließende Ströme in supraleitenden Schaltkreisen realisiert. Diese Ströme sind relativ robust gegenüber äußeren Störeinflüssen und können die Quanteneigenschaften über lange Zeiten aufrecht erhalten.

Neuartige Materialien für höhere Qualität der Qubits

Die geplanten Verbesserungen betreffen sowohl das Erhöhen der Konnektivität, also der Anzahl an Verbindungen zwischen den einzelnen Qubits, als auch das Verbessern der Qualität der Qubits und damit der Möglichkeit, schnell und effizient die gewünschten Quantenzustände herstellen zu können. „Das ist in diesem Stadium eine große Herausforderung“, sagt Dr. Ioan Pop vom Institut für QuantenMaterialien und Technologien des Karlsruhe Institute of Technology (KIT). „Durch den Einsatz von neuartigen Materialien zum Herstellen der Qubits erwarten wir eine bessere Reproduzierbarkeit und eine höhere Qualität der Qubits.“

Für dieses Vorhaben arbeiten Wissenschaftler am Walther-Meißner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften mit der Technischen Universität München, am Karlsruhe Institute of Technology (KIT), an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg (FAU), am Forschungszentrum Jülich (FZJ) und am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) sowie Infineon zusammen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt mit 14,5 Mio. Euro.

Wichtiger Schritt zur Entwicklung supraleitender Quantenschaltungen in Deutschland

Die Kooperation sei „ein sehr wichtiger Schritt für die Entwicklung supraleitender Quantenschaltungen in Deutschland. Diese Technologie wird von IT-Führungskräften auf dem Gebiet des Quantencomputers bevorzugt und derzeit verfolgt“, betont Professor Alexey Ustinov, Leiter der Forschungsgruppe am Physikalischen Institut des KIT. Die Forschungstätigkeit soll auch dazu beitragen, die Fabrikationsmethoden zu verbessern und Störstellen zu vermeiden, die die Qualität der Qubits nachhaltig beeinflussen.

Langfristiges Ziel sei es, einen sogenannten universellen Quantencomputer zu entwickeln, der wichtige Rechenprobleme exponentiell schneller als ein klassischer Computer berechne. Eine geeignete Architektur zur Berechnung praxisrelevanter Probleme könne nur durch grundlegende Verbesserungen sowohl der Hardware als auch der Software realisiert werden.

Aus der Wissenschaft in die praktische Anwendung: „Das Quantencomputing ist soweit!“

„Das Quantencomputing ist so weit, dass wir es jetzt aus der Wissenschaft in die praktische Anwendung bringen müssen“, sagt Sebastian Luber, Senior Director Technology & Innovation bei Infineon. Dafür seien aber noch einige Verbesserungen an den Eigenschaften von Quantenprozessoren nötig – und die Systeme müssten sich letztlich auch industriell fertigen lassen. Dafür sollen im Verbundprojekt skalierbare Fabrikationsprozesse und optimierte Chipgehäusen entwickelt werden.

Es gelte voranzuschreiten, auch wenn noch nicht klar ist, welche Technik letzten Endes am besten geeignet ist. Laut Luber bringt Infineon seine Expertise als Halbleiterhersteller „mit hoher Kompetenz in Skalierung und Fertigungsprozessen“ in das Projekt ein: „Die Methoden zur massenhaften Produktion kleinster Strukturen bei gleichbleibender Qualität sind auch für Qubits notwendig“, sagt der Manager.

Infineon hat bereits einen neuartigen Ionenfallen-Quantenprozessorchip in Zusammenarbeit mit Experimentalphysikern der Universität Innsbruck entwickelt und kooperiert mit weiteren Partnern, um die Grundlagen für die Verbreitung und Anwendung von Quantentechnologien zu legen.

300 Mio. für „Munich Quantum Valley“

Verbundprojekt „Deutscher Quantencomputer auf der Basis von supraleitenden Qubits“ steht auch in Verbindung mit dem „Munich Quantum Valley“, einem Zusammenschluss der Bayerischen Ministerien, der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, der Fraunhofer-Gesellschaft, der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Max-Planck-Gesellschaft und der Technischen Universität München, das der Freistaat Bayern in den nächsten drei Jahren mit 300 Millionen Euro fördern wird.

„Wir sind auf dem richtigen Weg, um mit Hilfe der Quantentechnologie bislang unlösbare Rechenaufgaben lösen zu können“, erklärt Stefan Filipp, der als Professor an der TU München und Direktor am WMI das Projekt koordiniert. Bislang ließe sich das enorme Potential von Quantencomputern noch gar nicht abschätzen. „Es steht aber außer Frage, dass wir mit dieser Technologie langfristig sowohl neue wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen können, als auch wirtschaftlich völlig neue Impulse setzen können.“

Geballtes Quantencomputing-Wissen im Projekt vereint

Das Walther Meißner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften leistet in enger Kollaboration mit der Technischen Universität München seit fast 20 Jahren Pionierarbeit im Bereich der Quantenwissenschaften und Quantentechnologien (QWT) mit supraleitenden Schaltkreisen und ist nach eigenen Angaben federführend in einer Vielzahl von Quanteninitiativen im Münchener Raum beteiligt.

Das Forschungszentrum Jülich (FZJ) adressiert Quantencomputing in den Bereichen Quantenmaterialien, Quantencomputing-Devices und der „Quantencomputing User Facility“ JUNIQ. Es verfolgt das Ziel, Grundlagen, Prototypen und Anwendungen im Quantencomputing zu entwickeln. Beim FZJ ist das Zentrallabor des Europäischen Flagschiffprojekts OpenSuperQ beheimatet.

Wissenschaftler am Karlsruhe Institute of Technology (KIT) leisten seit 2008 experimentelle Pionierarbeit zur Multiplex-Qubit-Auslese, Zwei-Niveau-Defekten, Quantensimulatoren und Quantenmetamaterialien und haben die Entwicklung von Quantenschaltungen vorangetrieben.

Die Universität Erlangen Nürnberg (FAU) ist nach eigenen Angaben eine der innovationsstärksten Universitäten weltweit. Die Arbeitsgruppe von Prof. Hartmann treibt neben der Entwicklung von Kopplungsschaltkreisen und Qubits, die Entwicklung von Algorithmen für NISQ Quantencomputer voran.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) beherrscht nach eigenen Angaben die gesamte Wertschöpfungskette auf dem Gebiet der III/V-Halbleiter und verfügt über langjährige Erfahrung im Aufbau von Mikrowellen- und Submillimeterwellenmodulen sowohl in Hohlleitern als auch auf Leiterplatten. Im Bereich des Quantencomputings beteiligt sich das IAF unter anderem am EU-Projekt „SEQUENCE“ (Entwicklung kryogener Elektronik) und koordiniert das Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg.

Weitere Aktivitäten von Infineon

Neben dem jetzt neu angestoßenen Verbundprojekt ist Infineon an mehreren Konsortien beteiligt, die die Quantentechnik unter jeweils verschiedene Ansätze erforschen. Dazu zählt „PIEDMONS“ zu Ionenfallen-basierten und „QUASAR“ zu Silizium-basierten Quantencomputern. Bereits seit 2017 ist Infineon als einer der Pioniere bei der Entwicklung der Post-Quantum-Kryptographie aktiv und trägt zur Entwicklung und Standardisierung quantensicherer Kryptographie-Verfahren bei.

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