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QSo­lid – auf dem Weg zum ers­ten deut­schen Quantencomputer

Der Bau eines kom­plet­ten Quan­ten­rech­ners basie­rend auf Spit­zen­tech­no­lo­gie aus Deutsch­land, das ist das Ziel des Ver­bund­pro­jekts QSo­lid, das jetzt star­te­te und vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung mit 76,3 Mil­lio­nen Euro für die nächs­ten fünf Jah­ren geför­dert wird. Der Fokus liegt auf Quan­ten­bits, kurz Qubits, sehr hoher Qua­li­tät, die eine gerin­ge Feh­ler­ra­te auf­wei­sen. Der Quan­ten­com­pu­ter soll früh­zei­tig in die Super­com­pu­ter-Infra­struk­tur am For­schungs­zen­trum Jülich ein­ge­bun­den wer­den und über meh­re­re supra­lei­ten­de Quan­ten­pro­zes­so­ren der nächs­ten Genera­ti­on ver­fü­gen, dar­un­ter ein „Moonshot“-System, das klas­si­schen Com­pu­tern hin­sicht­lich der Rechen­leis­tung über­le­gen ist. 

Ein ers­ter Demons­tra­tor soll ab Mit­te 2024 in Betrieb gehen und Tests von Anwen­dun­gen sowie Bench­marks für Indus­trie­stan­dards ermöglichen.

Quan­ten­com­pu­ter ver­spre­chen Durch­brü­che im Bereich der Mate­ri­al- und Wirk­stoff­ent­wick­lung oder bei der Opti­mie­rung der Ver­kehrs­steue­rung. Zukünf­tig könn­ten sie her­kömm­li­chen Super­rech­nern bei bestimm­ten Auf­ga­ben weit über­le­gen sein. Die Tech­no­lo­gie steckt aller­dings noch in den Kin­der­schu­hen. Die Ent­wick­lung eines prak­tisch nutz­ba­ren Quan­ten­com­pu­ters ist mit enor­men Her­aus­for­de­run­gen ver­bun­den, bie­tet aber auch die Chan­ce, früh­zei­tig indus­tri­el­le Stan­dards zu set­zen und geis­ti­ge Eigen­tums­rech­te zu sichern.

Indus­tri­el­le Anwen­dun­gen im Blick

Um die Kom­mer­zia­li­sie­rung vor­zu­be­rei­ten, haben sich 25 füh­ren­de deut­sche Unter­neh­men und For­schungs­ein­rich­tun­gen im Ver­bund­pro­jekt QSo­lid zusam­men­ge­schlos­sen. Das For­schungs­kon­sor­ti­um ist das größ­te die­ser Art in Deutsch­land und wird vom For­schungs­zen­trum Jülich koor­di­niert. Gemein­sam wol­len die Part­ner ein umfas­sen­des Öko­sys­tem für einen Demons­tra­tor auf Basis supra­lei­ten­der Qubits ent­wi­ckeln, der über die Jüli­cher Quan­ten­com­pu­ter-Infra­struk­tur JUNIQ exter­nen Nut­zern zugäng­lich gemacht und auf deren Bedürf­nis­se zuge­schnit­ten wer­den soll.

Quan­ten­com­pu­ter mit viel­fäl­ti­gen Prozessoren

Vor­ge­se­hen ist ein Sys­tem, das ver­schie­de­ne Quan­ten­pro­zes­so­ren ent­hält, die auf supra­lei­ten­den Schalt­krei­sen der nächs­ten Genera­ti­on mit redu­zier­ter Feh­ler­ra­te beru­hen. Der Ansatz gilt als welt­weit füh­rend und wird unter ande­rem auch von Goog­le, IBM und Intel ver­folgt. Die Mul­ti­pro­zes­sor-Maschi­ne am For­schungs­zen­trum Jülich soll min­des­tens drei unter­schied­li­che Quan­ten­chips par­al­lel betrei­ben: ein „Moonshot-Sys­tem“, des­sen Rechen­leis­tung die klas­si­scher Super­rech­ner über­trifft, ein anwen­dungs­spe­zi­fisch design­tes Sys­tem, das bereits für indus­tri­ell nütz­li­che Quan­ten­be­rech­nun­gen geeig­net ist, sowie eine Bench­mar­king-Platt­form, die vor­ran­gig auf die Ent­wick­lung digi­ta­ler Zwil­lin­ge und indus­tri­el­ler Stan­dards aus­ge­rich­tet ist.

Kon­zen­tra­ti­on auf Qubit-Qualität

„Der Fokus liegt auf der Ver­bes­se­rung der Qua­li­tät der Quan­ten­bits, die wir in QSo­lid auf allen Ebe­nen vor­an­trei­ben“, erklärt Pro­jekt­ko­or­di­na­tor Prof. Frank Wil­helm-Mauch vom For­schungs­zen­trum Jülich. Die Feh­ler­an­fäl­lig­keit der Quan­ten­bits, kurz Qubits, gilt als Knack­punkt bei der Quan­ten­com­pu­ter-Ent­wick­lung. Die Quan­ten­zu­stän­de, die zur Spei­che­rung der Quan­ten­in­for­ma­ti­on genutzt wer­den, reagie­ren äußerst emp­find­lich auf äuße­re Ein­flüs­se. Oft­mals wer­den sie gestört, bevor alle Rechen­ope­ra­tio­nen abge­schlos­sen sind.

„Die Opti­mie­run­gen, die uns vor­schwe­ben, fan­gen bei beson­ders feh­ler­ar­men supra­lei­ten­den Schal­tun­gen der nächs­ten Genera­ti­on an, die wir unter ande­rem durch hoch­prä­zi­se Fer­ti­gungs­me­tho­den und neue Mate­ri­al­sys­te­me errei­chen wol­len. Ent­schei­dend sind aber auch die opti­ma­le Kon­trol­le der Quan­ten­bits sowie hoch­mo­der­ne Feh­ler­ver­mei­dungs­ver­fah­ren mit­tels künst­li­cher Intel­li­genz (KI) auf Firm­ware-Level, wo wir mit QSo­lid neue Maß­stä­be set­zen wol­len“, erläu­tert Frank Wilhelm-Mauch.

Netz­werk an Forschungseinrichtungen

Um das gro­ße Ziel eines eigen­stän­di­gen Quan­ten­com­pu­ters aus deut­scher Her­stel­lung zu errei­chen, führt QSo­lid For­schungs­ein­rich­tun­gen, Unter­neh­men und Star­tups aus Deutsch­land zusam­men. 7 Insti­tuts­be­rei­che des Jüli­cher Peter Grün­berg Insti­tuts brin­gen ihre Exper­ti­se in das Pro­jekt ein, neben dem Jülich Super­com­pu­ting Cent­re (JSC) sowie dem Zen­tral­in­sti­tut für Engi­nee­ring, Elek­tro­nik und Ana­ly­tik (ZEA‑2) und der Aus­grün­dung Qrui­se des For­schungs­zen­trums Jülich, die eben­falls wich­ti­ge Auf­ga­ben über­neh­men. Wert­vol­les Fach­wis­sen steu­ern wei­te­re For­schungs­part­ner bei, zu denen die Fraun­ho­fer-Insti­tu­te IPMS und ASSID IZM, das Karls­ru­her Insti­tut für Tech­no­lo­gie (KIT), das Leib­niz-IHPT in Jena, die Phy­si­ka­lisch-Tech­ni­schen Bun­des­an­stalt, das CiS For­schungs­in­sti­tut für Mikro­sen­so­rik sowie die Uni­ver­si­tä­ten in Ulm, Stutt­gart, Ber­lin (FU Ber­lin), Kon­stanz, Köln und Düs­sel­dorf gehören.

Auf­bau einer natio­na­len Lieferkette

Zahl­rei­che Her­stel­ler und Star­tups betei­li­gen sich am Auf­bau einer natio­na­len Ent­wick­lungs- und Lie­fer­ket­te. Pari­ty­QC, HQS, Rosen­ber­ger HF-Tech­nik, IQM, supra­con, Par­Tec, Racyics, AdMOS, LPKF Laser & Elec­tro­nics, Ato­tech, Atos science+computing ag, Glo­bal­found­ries und Zurich Instru­ments Ger­ma­ny sind als Pro­jekt­part­ner invol­viert und erhal­ten so schon früh die Mög­lich­keit, ers­te indus­tri­el­le Stan­dards zu set­zen und Nut­zungs­po­ten­zia­le zu erschließen.

Quan­ten-Infra­struk­tur am For­schungs­zen­trum Jülich

Beim Auf­bau der supra­lei­ten­den Quan­ten­ar­chi­tek­tur pro­fi­tiert QSo­lid unter ande­rem von der Erfah­rung von Prof. Rami Barends, der im Herbst letz­ten Jah­res aus dem For­schungs­team von Goog­le ans For­schungs­zen­trum Jülich gewech­selt ist. Die Fer­ti­gung der Quan­ten­pro­zes­so­ren der nächs­ten Genera­ti­on wird zu gro­ßen Tei­len in der Helm­holtz Nano Faci­li­ty am For­schungs­zen­trum Jülich erfol­gen. Der 1.000 Qua­drat­me­ter gro­ße Rein­raum­kom­plex der Helm­holtz-Gemein­schaft ist mit hoch­mo­der­nen Anla­gen für die Her­stel­lung und Cha­rak­te­ri­sie­rung von Quan­ten­bau­ele­men­ten aus­ge­stat­tet; bis 2025 wird die­ser noch ergänzt wer­den durch das Helm­holtz-Quan­tum Cen­ter (HQC), eine Labo­r­in­fra­struk­tur, die spe­zi­ell für das Quan­ten­com­pu­ting aus­ge­legt ist.

Ers­te Sys­te­me ab 2024

Ers­te Vor­läu­fer der geplan­ten Demons­tra­to­ren in QSo­lid wer­den am Leib­niz-IHPT in Jena pro­du­ziert und bereits für das Jahr 2024 erwar­tet. Das IHPT ver­fügt bereits über eine bestehen­de Fer­ti­gungs­li­nie für supra­lei­ten­de Schal­tun­gen, die im Rah­men des Pro­jekts zu einer Pilot­li­nie für supra­lei­ten­de Quan­ten­schalt­krei­se aus­ge­baut wer­den soll.
Wich­ti­ge Vor­ar­bei­ten zum Errei­chen der Pro­jekt­zie­le wur­den bereits geleis­tet. Ergeb­nis­se des euro­päi­schen Flagg­schiff­pro­jekts Open­Su­perQ sowie der 2021 gestar­te­ten Ver­bund­pro­jek­te DAQC und GeQ­cos flie­ßen in die Arbei­ten von QSo­lid ein.

Bei­trags­bild: Kryo­ge­ni­scher Auf­bau und Ansteue­rung eines supra­lei­ten­den Quan­ten­com­pu­ters am For­schungs­zen­trum Jülich – © For­schungs­zen­trum Jülich / Sascha Kreklau

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Mehr in der News @HolgerMauelsha1 bei #FokusTransfer
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Quelle @h_da
✍️@HolgerMauelsha1

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