28. November 2022
DLR Quantencomputing-Initiative (QCI)

Aus­schrei­bung zur Ent­wick­lung von Quan­ten­com­pu­tern mit Fest­kör­per­spins

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Digitalisierung
Symbolbild: Qubits
Zu­kunfts­tech­no­lo­gie mit Qubits
Credit: © Production Perig / AdobeStock

Zukunftstechnologie mit Qubits

Ein Quan­ten­com­pu­ter ar­bei­tet mit Qubits, die den Ge­set­zen der Quan­ten­phy­sik fol­gen. Dies er­laubt neu­ar­ti­ge Al­go­rith­men, die auf kon­ven­tio­nel­len Com­pu­tern nicht mög­lich sind.
  • Zwei Teilprojekte zur Realisierung auf Basis von Festkörperspins.
  • Die Quantencomputer werden an den Innovationszentren des DLR entwickelt und in Betrieb genommen.
  • Schwerpunkte: Quantentechnologie, Quantencomputing, Digitalisierung

Im Rahmen der Quantencomputing-Initiative des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sollen innerhalb von vier Jahren prototypische Quantencomputer unterschiedlicher Architekturen gebaut werden. Das DLR hat hierzu eine weitere Ausschreibung mit zwei Teilprojekten veröffentlicht. Im ersten Teilprojekt geht es um einen transportablen Demonstrator zu Schulungszwecken, der innerhalb eines Jahres zur Verfügung steht. Im zweiten Teilprojekt wird ein prototypischer Quantenprozessor auf Basis von Festkörperspins entwickelt und gebaut. Das System soll in mehreren Phasen auf 50 Qubits oder mehr ausgebaut werden. Das ausgeschriebene Projekt läuft über dreieinhalb Jahre.

Spins werden zu Rechenbausteinen

Das Thema Quantencomputing entwickelt sich rasant, dabei spielen vielfältige Technologieansätze in unterschiedlichen Entwicklungsstadien eine Rolle. Noch ist unklar, welche Konzepte für die spätere Anwendung am besten geeignet sind. Daher stellt sich das DLR breit auf und verfolgt mehrere Technologieansätze. Dazu gehören auch Quantencomputer auf Basis von Festkörperspins.

Einzelne Spins dienen als Qubit und können mithilfe von Lasern, Mikro- oder Radiowellen manipuliert werden. Die Spinsysteme lassen sich dabei zum Beispiel durch Fehlstellen in Kristallen, mit Quantenpunkten oder mit Strukturen in anderen Halbleitermaterialien realisieren. Um zwei Qubits in solchen Festkörpern miteinander wechselwirken zu lassen, werden die Qubits beispielsweise in einen Abstand von wenigen Nanometern voneinander gebracht. So „spürt“ ein Qubit die Spins der anderen und wird durch seine Nachbarn beeinflusst.

„Solche Qubits in Halbleitermaterialien zeigen aussichtsreiche Eigenschaften. Zudem gab es in den letzten Jahrzehnten immense Fortschritte in der Halbleiterindustrie. Die vorhandene Infrastruktur beschleunigt den Technologietransfer von der Forschung in die Anwendung“, erklärt Dr. Karla Loida, Projektleiterin in der DLR Quantencomputing-Initiative. „Jedoch erfordert ein funktionstüchtiger Quantencomputer noch eine verbesserte Präzision bei der Herstellung und Positionierung der Qubits. Das soll im Rahmen dieses Projekts durch den Industriepartner erreicht werden.“

Auftragsvergabe in einem wettbewerblichen Verfahren

Das DLR bindet Unternehmen, Start-ups und andere Forschungseinrichtungen in die DLR Quantencomputing-Initiative (QCI) ein, um gemeinsam die Entwicklungsarbeiten voranzutreiben. Das DLR wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) hierfür mit Ressourcen ausgestattet und vergibt in großem Umfang Aufträge an Unternehmen in einem wettbewerblichen Verfahren. Zuletzt wurden fünf Aufträge für den Bau von prototypischen Quantencomputern auf Basis von Ionenfallen vergeben. Diese Aufträge haben ein Gesamtvolumen von 208,5 Millionen Euro.

Die aktuelle Ausschreibung ist bislang die siebte zum Quantencomputing. Das DLR stellt Räume in seinen Innovationszentren in Hamburg und Ulm bereit.

Die Bewerbungen zur Teilnahme können bis zum 16.01.2023 abgegeben werden.

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.

Kontakt
  • Katja Lenz
    Pres­se­re­dak­ti­on
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 2203 601-5401
    Linder Höhe
    51147 Köln
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  • Felix Knoke
    Kom­mu­ni­ka­ti­on DLR Quan­ten­com­pu­ting-In­itia­ti­ve
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Kom­mu­ni­ka­ti­on und Pres­se
    Telefon: +49 30 67055-8417
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  • Dr. Robert Axmann
    Lei­ter DLR Quan­ten­com­pu­ting-In­itia­ti­ve
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Vor­stand­spro­jek­te und Quan­ten­com­pu­ting-In­itia­ti­ve
    Hansestraße 115
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Halbleiter

Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit stark temperaturabhängig ist. Bei Temperaturen nahe dem Nullpunkt können Halbleiter keinen Strom leiten, während bei zunehmender Temperatur die Leitfähigkeit steigt. Als Bauteile werden Halbleiter beispielsweise in der Mikroelektronik oder in der Photovoltaik verwendet.

Spin-Qubits

Spin-Qubits sind Festkörperspins, die zur Realisierung von Quantencomputern genutzt werden. Hierbei können als Qubits sowohl Kernspins als auch Elektronenspins verwendet werden. Dabei handelt es sich um die Drehimpulse von Atomkernen und Elektronen, die sich in einem Magnetfeld ausrichten und manipulieren lassen.

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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.

Fehlstellen

In einem Kristall herrschen strenge Regeln, welches Atom wo im Kristallgitter sitzen darf. Bei einer Fehlstelle wird diese Regel gebrochen. Hier sitzt entweder ein „falsches“ Atom an einem Gitterplatz, oder aber gar keines. Da diese Fehlstellen einen Fehler im Kristallgitter verursachen, nennt man sie auch Gitterfehler. Diese Fehler verändern die elektronische Struktur des Kristalls, was sich für verschiedenste Zwecke nutzen lässt. Auch so genannte Farbzentren sind Fehlstellen, mit der besonderen Eigenschaft, dass sie sichtbares Licht absorbieren und dem Kristall eine Farbe verleihen können. Rubine zum Beispiel erhalten ihre rötliche Färbung durch solche Farbzentren.

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).

Quantenpunkte

Quantenpunkte werden auch als „künstliche Atome“ bezeichnet, obwohl sie selbst aus tausenden Atomen bestehen. Hergestellt werden sie zum Beispiel, indem man sie gezielt als kleine Kristalle in einer hochreinen Umgebung wachsen lässt. Sie sind so klein, dass Elektronen, die sich im Quantenpunkt aufhalten, nur bestimmte (diskrete) Energieniveaus annehmen können, genau wie es in einem Atom der Fall ist. Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem können Quantenpunkte als Basis für Quantencomputer genutzt werden. Oder aber auch in Displays, oder als Farbstoff.