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Mit Dia­mant zum hybri­den Quan­ten­pro­zes­sor »Made in Germany«

Auf dem Weg zur Anwen­dung von Quan­ten­com­pu­tern: Im Pro­jekt »SPINNING« arbei­ten natio­na­le Exper­ten aus Wis­sen­schaft und Wirt­schaft an einem kom­pak­ten, ska­lier­ba­ren Quan­ten­pro­zes­sor, der auf Spin-Qubits in Dia­mant basiert und sich an her­kömm­li­che Com­pu­ter anbin­den lässt. Damit will das Pro­jekt einen wich­ti­gen Bei­trag zum Öko­sys­tem der deut­schen Quan­ten­tech­no­lo­gie leis­ten. Das BMBF för­dert »SPINNING« mit 16.1 Mio. €. Das Fraun­ho­fer IAF koor­di­niert das Pro­jekt, in dem 28 Part­ner zusammenarbeiten. 

Das im Janu­ar gestar­te­te Ver­bund­pro­jekt »SPINNING« (Dia­mond spin-pho­ton-based quan­tum com­pu­ter) will den Demons­tra­tor eines Quan­ten­pro­zes­sors »Made in Ger­ma­ny« ent­wi­ckeln sowie die Peri­phe­rie, die not­wen­dig ist, um den Pro­zes­sor an her­kömm­li­che Com­pu­ter­sys­te­me anzu­bin­den. Die Pro­jekt­lauf­zeit beträgt drei Jah­re. Im Ver­gleich zu heu­ti­gen Quan­ten­com­pu­tern zeich­net sich die geplan­te Hard­ware sowohl durch län­ge­re Ope­ra­ti­ons­zei­ten und klei­ne­re Feh­ler­ra­ten als auch durch einen gerin­gen Kühl­be­darf aus. Der geplan­te Quan­ten­pro­zes­sor soll zunächst mit 10, in der Fol­ge mit 100 Qubits und mehr rech­nen kön­nen und wäre damit auch in der Lage, die Pro­duk­te kom­ple­xer quan­ten­che­mi­scher Reak­tio­nen zu prognostizieren.

Quan­ten­com­pu­ter haben das Poten­zi­al, Rechen­pro­ble­me zu lösen, die klas­si­sche Com­pu­ter nur mit Ver­ein­fa­chun­gen, Nähe­run­gen oder in sehr lan­gen Rechen­zei­ten lösen kön­nen. Die Rechen­leis­tung hängt dabei vom zen­tra­len Hard­ware­ele­ment, dem Qubit, ab. Obwohl es heut­zu­ta­ge schon ver­schie­de­ne Ansät­ze gibt, Qubits und Quan­ten­com­pu­ter zu rea­li­sie­ren, befin­det sich deren Ent­wick­lung noch im For­schungs- und Ver­suchs­sta­di­um. Des­halb sind auf dem Weg zur Anwen­dung von Quan­ten­com­pu­tern inno­va­ti­ve Ansät­ze für kom­pak­te und ska­lier­ba­re Quan­ten­pro­zes­so­ren entscheidend.

Spin-Pho­ton-basier­ter Quan­ten­pro­zes­sor für hybri­de Systeme

Im Rah­men von »SPINNING« erfor­schen und demons­trie­ren die Pro­jekt­part­ner einen ska­lier­ba­ren, uni­ver­sel­len Quan­ten­pro­zes­sor auf Basis von Spin-Qubits in Dia­mant. Die­ser zeich­net sich durch ein neu­ar­ti­ges ver­netz­tes und hybri­des Design aus. »Ziel unse­rer Arbei­ten ist es u. a. einen zuver­läs­si­gen Betrieb eines sol­chen inno­va­ti­ven Quan­ten­com­pu­ters sicher­zu­stel­len und eine Peri­phe­rie zu schaf­fen, um die Rechen­leis­tung für eine brei­te Grup­pe von Anwen­dern, bei­spiels­wei­se per Cloud-Com­pu­ting, zur Ver­fü­gung zu stel­len«, erläu­tert Prof. Dr. Rüdi­ger Quay, Pro­jekt­ko­or­di­na­tor von »SPINNING« und geschäfts­füh­ren­der Insti­tuts­lei­ter des Fraun­ho­fer IAF.

Her­aus­ra­gen­de Kon­nek­ti­vi­tät und fle­xi­ble Konfigurierbarkeit

In ein­fa­chen Quan­ten­schal­tun­gen wird das Quan­ten­vo­lu­men, das sich aus der Anzahl der Qubits, ihrer Feh­ler­ra­te und ihrer Kon­nek­ti­vi­tät errech­net, zum Ver­gleich der Leis­tung von Platt­for­men her­an­ge­zo­gen. Ein oft ver­nach­läs­sig­ter, zen­tra­ler Para­me­ter dabei ist die Kon­nek­ti­vi­tät der Qubits, die die Anzahl der direkt adres­sier­ba­ren benach­bar­ten Qubits und die Mög­lich­keit der Kopp­lung von Qubits über gro­ße Abstän­de angibt.

»SPINNING« berück­sich­tigt auch die­sen Para­me­ter und bie­tet ein Design, das sich durch eine noch nie dage­we­se­ne Kon­nek­ti­vi­tät und eine fle­xi­ble Kon­fi­gu­rier­bar­keit aus­zeich­net. Zudem ist der Quan­ten­pro­zes­sor in der Lage mit gerin­gem Kühl­be­darf zu arbei­ten und hat damit das Poten­zi­al, in unmit­tel­ba­rer Nähe her­kömm­li­cher Com­pu­ter­sys­te­me imple­men­tiert zu werden.

Pro­jekt­part­ner

Das Frei­bur­ger Fraun­ho­fer IAF lei­tet das »SPINNING«-Konsortium aus sechs Uni­ver­si­tä­ten, zwei gemein­nüt­zi­gen For­schungs­ein­rich­tun­gen, fünf indus­tri­el­len Unter­neh­men (KMU und Spin-offs) und vier­zehn asso­zi­ier­ten Part­nern (zehn davon sind Unter­neh­men). Alle Betei­lig­ten sind hoch­ak­tiv auf dem Gebiet der vor­wett­be­werb­li­chen Hardware‑, Firm­ware- und Software-Entwicklung.

- Fraun­ho­fer-Insti­tut für Ange­wand­te Fest­kör­per­phy­sik IAF (Koor­di­na­tor)
– Fraun­ho­fer-Insti­tut für Inte­grier­te Sys­te­me und Bau­ele­men­te­tech­no­lo­gie IISB
– For­schungs­zen­trum Jülich GmbH
– Karls­ru­her Insti­tut für Tech­no­lo­gie (KIT)
– Uni­ver­si­tät Konstanz
– Uni­ver­si­tät Heidelberg
– Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät München
– Uni­ver­si­tät Ulm
– Dia­mond Mate­ri­als GmbH, Frei­burg im Breisgau
– NVi­si­on Ima­ging Tech­no­lo­gies GmbH, Ulm
– Qinu GmbH, Karlsruhe
– Uni­ver­si­tät Stuttgart
– Quan­tum Bril­li­an­ce GmbH, Stuttgart
– Swa­bi­an Instru­ments GmbH, Stuttgart
– 14 Asso­zi­ier­te Part­ner aus Wis­sen­schaft und Wirtschaft

»SPINNING« wird durch das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung BMBF im Rah­men des Pro­gramms „Quan­ten­tech­no­lo­gien – von den Grund­la­gen zum Markt“ geför­dert (För­d­er­kenn­zei­chen: 13N16209).

Bei­trags­bild Design: © Niklas Gün­ther über Canva(.)com

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Quelle @h_da
✍️@HolgerMauelsha1

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