27. Oktober 2022
Auftragsvergabe in Höhe von 208,5 Millionen Euro im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative

Start-ups und Un­ter­neh­men ent­wi­ckeln Quan­ten­com­pu­ter auf Ba­sis von Io­nen­fal­len

Chips auf Silizium-Wafer
Chips auf Si­li­zi­um-Wa­fer
Bild 1/3, Credit: ©Universal Quantum Deutschland GmbH

Chips auf Silizium-Wafer

In zwei Pro­jek­ten ent­ste­hen mo­du­la­re, ska­lier­ba­re Quan­ten­com­pu­ter auf Io­nen­fal­len-Ba­sis. Meh­re­re Chips wer­den da­bei zu ei­ner uni­ver­sel­len Quan­ten­com­pu­ter-Ar­chi­tek­tur ver­netzt.
Vakuumkammer mit Ionenspeicher
Va­ku­um­kam­mer mit Io­nen­spei­cher
Bild 2/3, Credit: ©eleQtron GmbH

Vakuumkammer mit Ionenspeicher

Das Bild zeigt das Herz­stück ei­nes Quan­ten­com­pu­ters – die Va­ku­um­kam­mer mit Io­nen­spei­cher. Die Io­nen im Io­nen­spei­cher wer­den mit Hoch­fre­quenz­tech­nik ge­steu­ert.
Quantenprozessor mit Ionenfallen-Technologie
Quan­ten­pro­zes­sor mit Io­nen­fal­len-Tech­no­lo­gie
Bild 3/3, Credit: ©QUDORA Technologies GmbH

Quantenprozessor mit Ionenfallen-Technologie

Das Bild zeigt ei­nen Drei-Zoll-Wa­fer mit mi­kro­fa­bri­zier­ten Quan­ten­pro­zes­so­ren auf Ba­sis der Io­nen­fal­len-Tech­no­lo­gie.
  • eleQtron, NXP® Semiconductors Germany, Parity Quantum Computing Germany, QUDORA Technologies und Universal Quantum Deutschland bauen innerhalb von vier Jahren prototypische Quantencomputer.
  • Systeme mit Ionenfallen eignen sich für universelle Rechenoperationen.
  • Fünf Teilprojekte mit unterschiedlichen Ausrichtungen.
  • Die Aufträge haben ein Gesamtvolumen von 208,5 Millionen Euro.
  • Schwerpunkte: Quantencomputing, Quantentechnologie, Digitalisierung

Aus einer Ionenfalle können geladene Atome nicht entwischen: Ein elektromagnetisches Feld hält sie in ihrer Position. Ein Laser sowie Radio- oder Mikrowellen können den Zustand der geladenen Atome (Ionen) dann gezielt verändern. So werden sie zu Qubits, den Rechenbausteinen von Quantencomputern. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat jetzt Aufträge vergeben, damit die Ionenfallen-Technologie weiterentwickelt wird. Im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative entstehen innerhalb von vier Jahren entsprechende prototypische Quantencomputer.

„Für die Realisierung von Qubits auf Basis von Ionenfallen vergibt das DLR Aufträge für fünf Projekte im Rahmen seiner Quantencomputing-Initiative. Dieser Technologieansatz gilt als vielversprechend und soll nun gezielt weiter vorangetrieben werden. Damit gehen wir einen weiteren Schritt in Richtung eines programmierbaren, fehlertoleranten Quantencomputers“, sagt Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Durch die enge Zusammenarbeit von Wirtschaft und Wissenschaft entstehen Synergien, die das Ökosystem Quantencomputing stärken und damit auch Start-ups neue Möglichkeiten eröffnen.“

Die Aufträge haben ein Gesamtvolumen von 208,5 Millionen Euro. Die sukzessive Entwicklung der Systeme läuft in mehreren Phasen. „Zum Ende der Projekte werden Quantencomputer basierend auf Ionenfallen-Technologie mit mindestens 50 Qubits bereitstehen. Gleichzeitig werden modulare Systeme aufgebaut, die erweiterbar Richtung tausender Qubits sind“, sagt Dr. Robert Axmann, Leiter der DLR Quantencomputing-Initiative. „Das akademische und wirtschaftliche Umfeld in unseren Innovationszentren ist optimal zur Weiterentwicklung.“

Die Firmen und deren Mitarbeitende nutzen zukünftig Büros, Labore und einen Reinraum im DLR-Innovationszentrum in Hamburg. Hier und im DLR-Innovationszentrum in Ulm profitieren die Unternehmen auch von der unmittelbaren Nähe zu den DLR-Instituten sowie Arbeitsgruppen und der gemeinsamen Arbeit an den Herausforderungen des Quantencomputing.

Entwicklungsarbeiten im DLR-Innovationszentrum Hamburg

In einem ersten Projekt liefern NXP Semiconductors Germany (Hamburg) / eleQtron (Siegen) / Parity Quantum Computing Germany (München) als Konsortium einen Demonstrator mit zehn Qubits. Der Betriebsbeginn ist für Ende 2023 geplant. Anwender und Anwenderinnen können auf diesem Quantencomputer Erfahrungen mit Ionenfallen-Systemen sammeln und die Entwicklung voranbringen.

Zwei Projekte beinhalten den Bau von prototypischen Quantencomputern mit mindestens 50 voll funktionsfähigen Qubits auf einem Chip. Universal Quantum Deutschland (Düsseldorf) und das Konsortium QUDORA Technologies (Braunschweig) / NXP Semiconductors Germany entwickeln jeweils eigene Systeme. Der Chip ist skalierbar, die Anzahl der Qubits und die Rechenleistung lassen sich also erhöhen. Die Fehleranfälligkeit gilt als eine der größten Herausforderungen beim Quantencomputing. Daher liegt ein Fokus darauf, dass der Chip perspektivisch fehlerkorrigierbar ist.

In zwei weiteren Projekten entstehen modulare, skalierbare Quantencomputer auf Ionenfallen-Basis. Mehrere Chips werden dabei zu einer universellen Quantencomputer-Architektur vernetzt. Das Besondere: Jedes Modul ist ein eigener kleiner Quantenprozessor mit jeweils zehn Qubits. Diese Struktur soll später auf viele Chips mit tausenden von Qubits wachsen. Universal Quantum Deutschland (Düsseldorf) und das Konsortium NXP Semiconductors Germany / eleQtron / Parity Quantum Computing Germany entwickeln im Auftrag des DLR diese modularen Quantencomputer-Prototypen.

Ionenfallen-Qubits haben eine vergleichsweise lange Kohärenzzeit

„Systeme mit Ionenfallen erlauben universelle Rechenoperationen. Sie sind nicht auf die Lösung bestimmter Aufgaben festgelegt“, erklärt Dr. Karla Loida, Projektleiterin in der Quantencomputing-Initiative. „Quantencomputer auf Basis von Ionenfallen haben mehrere Vorteile: Die Qubits sind vergleichsweise stabil und die Gattergüten sind hoch – eine wichtige Voraussetzung für den Bau hochqualitativer Quantencomputer. Durch die Integration auf Mikrochips und innovative Chipdesigns wird jetzt auch die Skalierbarkeit greifbar.“ Zudem sind die Technologien, die zum Bau erforderlich sind, schon ausgereift. Lasersysteme für die nötige Kühlung sind verfügbar. Eine gezielte Manipulation von Qubits funktioniert mithilfe von Lasern, Mikro- oder Radiowellen. Auch die Integration auf Mikrochips ist bewährt.

Die in den Projekten entwickelten prototypischen Quantencomputer werden von den DLR-Instituten für die Forschung und Entwicklung genutzt und sind über ein Netzwerk verfügbar.

Die DLR Quantencomputing-Initiative

Es gibt unterschiedliche Konzepte für die Entwicklung von Quantencomputern. Noch ist unklar, welches Konzept sich letztlich durchsetzen wird. Das DLR unterstützt parallel verschiedene Technologieansätze und bringt die eigenen Fähigkeiten und Fragestellungen in Forschung und Entwicklung ein. Im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative sollen innerhalb der nächsten vier Jahre prototypische Quantencomputer unterschiedlicher Architekturen gebaut, sowie die damit verbundenen Technologien und Anwendungen entwickelt werden. Das DLR bindet Unternehmen, Start-ups und andere Forschungseinrichtungen ein, um gemeinsam die Arbeiten voranzutreiben. Hierfür wurde das DLR durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit Ressourcen ausgestattet und vergibt in großem Umfang Aufträge an Unternehmen in einem wettbewerblichen Verfahren.

Schnelle Berechnungen mit Quantenbits

Quantencomputer sind eine wichtige Technologie für die Zukunft: Sie können Berechnungen und Simulationen auf spezifischen Einsatzgebieten wesentlich schneller als klassische Supercomputer durchführen. Ihr Einsatz ist zum Beispiel im Verkehrs- und Energiebereich, aber ebenso bei der Grundlagenforschung oder dem Betrieb von Satelliten möglich. Quantencomputer arbeiten auf Basis der Quantenphysik. Ihre Quantenbits (Qubits) können die Zustände 0 und 1 gleichzeitig einnehmen –und nicht nur nacheinander, wie die klassischen Computer. Das wiederum macht Quantencomputer so leistungsfähig. Im DLR arbeiten bereits mehrere Institute mit Quantentechnologien. Auch im DLR besteht ein großer Bedarf, in Zukunft an und mit Quantencomputern zu forschen.

eleQtron GmbH (Siegen)

eleQtron ist ein 2020 gegründetes Spin-off aus dem Lehrstuhl für Quantenoptik der Universität Siegen. Das Start-up entwickelt, produziert, betreibt und vermarktet Rechenzeit auf Ionenfallen-basierten Quantencomputern. Der Quantencomputer-Hersteller baut sukzessiv leistungsstärkere Quantencomputer auf und bindet diese an die Cloud an. Die Technologie arbeitet ohne Laserlicht für Quantenlogikoperationen.

NXP Semiconductors Germany GmbH (Hamburg)

NXP gehört zu den führenden Halbleiterunternehmen weltweit und kann auf Erfahrung und Expertise von mehr als 60 Jahren bauen. Am Standort Hamburg sind mit rund 900 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern vor allem Forschung, Entwicklung, Test und Marketing für mehrere Geschäftsbereiche ansässig. Die wichtigsten NXP Kompetenzzentren in Hamburg sind Sichere Vernetzte Mobilität, Cybersecurity, Industrie 4.0 und – neu – Quantum Computing.

Parity Quantum Computing Germany GmbH (München)

Der Fokus von ParityQC liegt auf der Entwicklung von Bauplänen und Betriebssystemen für Quantencomputer. ParityQC arbeitet mit Hardwarepartnern weltweit zusammen, um gemeinsam Quantencomputer für Anwendungen zu bauen, die vom universellen, fehlerkorrigierten Quantencomputing bis hin zur Lösung von Optimierungsproblemen auf NISQ Geräten reichen. Für das DLR entwickelt ParityQC Architektur, Algorithmen und Betriebssystem.

QUDORA Technologies GmbH (Braunschweig)

QUDORA ist ein Deep Tech Spin-off der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), Technischen Universität Braunschweig sowie der Leibniz Universität Hannover und Teil des Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) Ökosystems. Das Start-up entwickelt Quantencomputer auf Basis der Ionenfallen-Technologie, bei denen Rechenoperationen mittels in den Quantenprozessor integrierter Mikrowellenbauelemente ausgeführt werden.

Universal Quantum Deutschland GmbH (Düsseldorf)

Universal Quantum hat eine modulare Architektur für Quantencomputer entwickelt. Die auf Ionenfallen basierenden elektronischen Quantencomputermodule werden mit der verfügbaren Siliziumtechnologie hergestellt. Die einzelnen Module werden dann mit einer von Universal Quantum entwickelten Technologie zu einer Architektur verbunden, die skaliert werden kann. Universal Quantum wurde im Jahr 2018 gegründet.

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    Kom­mu­ni­ka­ti­on und Pres­se
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  • Dr. Robert Axmann
    Lei­ter DLR Quan­ten­com­pu­ting-In­itia­ti­ve
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
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    Hansestraße 115
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Quantencomputer

Neuartige Form eines Rechners, der auf Basis der Gesetze der Quantenphysik arbeitet. Seine Quantenbits (Qubits) können nicht nur die Zustände 0 und 1 einnehmen, sondern auch Zwischenwerte. Quantencomputer haben das Potenzial, bestimmte Aufgaben zu lösen, an denen klassische Computer scheitern.

Quantenmechanik/Quantenphysik

Teilbereich der Physik, in dem physikalische Vorgänge in der Welt des Allerkleinsten, auf atomarer Ebene, beschrieben werden.

Qubit

Qubits (Quantenbits) sind die kleinsten Rechen- und Speichereinheiten eines Quantencomputers, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren. Im Gegensatz zu den klassischen Bits der herkömmlichen Digitalrechner, die nur die Zustände 0 und 1 kennen, können Qubits unendlich viele Zwischenwerte annehmen. Als Qubits dienen Zweizustands-Quantensysteme auf atomarer Ebene (beispielsweise Atome, Ionen oder Lichtquanten) oder in Festkörpern (beispielsweise in Halbleitern oder Supraleitern).

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Die grundlegenden ausführbaren Operationen des Quantencomputers, also die Bausteine von Quantenschaltungen. Diese sind immer etwas fehlerbehaftet. Die Gattergüte beschreibt, wie gut die Operationen im Vergleich zu theoretisch perfekten sind.