Panorama

Projekt PhotonQ

19.01.2022 - 16 Millionen Euro für die Entwicklung eines skalierbaren photonischen Quantenprozessors.

Quantencomputer sollen einmal in hohem Tempo Problem­stellungen lösen, die für klassische Computer­systeme nicht bearbeitbar sind. Bis die Rechner jedoch praxis­tauglich werden, müssen sie eine deutlich höhere Anzahl an Qubits verarbeiten und niedrigere Fehler­raten aufweisen. Ein Forschungs­verbund unter Feder­führung von Stefanie Barz von der Uni Stuttgart entwickelt hierfür jetzt einen photonischen Quanten­prozessor, der die Realisierung von Quanten­algorithmen mit wenigen Qubits erlaubt und perspektivisch eine schnelle Skalierung auf praxis­relevante Qubit-Zahlen ermöglichen soll.

Um neue, skalierbare Quanten­prozessoren zu erforschen, gibt es die verschie­densten Ansätze: Atom- und Ionenfallen, Supraleiter, Halbleiter oder verschränkte Photonen. Im Projekt PhotonQ, das vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung mit etwa 16 Millionen Euro gefördert wird, wollen die Unis Stuttgart, Würzburg, Mainz und Ulm, die TU München, das Institut für Mikro­elektronik Stuttgart und die Vanguard Automation GmbH einen Prozessor für einen photonischen Quanten­computer entwickeln. Das Herz des Quanten­prozessors ist ein integrierter photonischer Chip.

Startpunkt für einen messbasierten Quanten­prozessor ist ein hoch­ver­schränkter Quanten­zustand. Um universelle Quanten­rechnungen durch­zu­führen, werden an das jeweilige Rechen­problem angepasste adaptive Messungen an einem großen verschränkten Zustand durch­ge­führt. „Die Heraus­forderung dabei liegt darin, einen solchen Zustand in einem photonischen System mit hoher Effizienz und Qualität herzu­stellen und zu verarbeiten“, erläutert Barz. „Eine zentrale Rolle spielt dabei die Entwicklung integrierter optischer Bausteine und Schaltkreise. Hierbei sind vor allem optische Verluste im System so gering wie möglich zu halten. Gleichzeitig muss eine hohe Effizienz in der Erzeugung und der Detektion der Photonen gegeben sein. Dies erfordert die Entwicklung neuer oder wesentlich verbesserter Komponenten in allen Teil­systemen.“

Entsprechend sollen im Projekt PhotonQ deter­mi­nistische Photonen­quellen, skalierbare Silizium-Photonik-Schaltkreise, bessere Verbindungs­technik und neuartige Einzel­photonen­detektoren realisiert werden. Das Gesamtsystem des Quanten­prozessors wird an der Uni Stuttgart aufgebaut. Es soll Quanten-Computing mit acht Qubits demonstrieren und die grund­sätz­liche Eignung des messbasierten, photonischen Funktions­prinzips nachweisen. Über die Projekt­lauf­zeit von vier Jahren werden vier Prozessor-Generationen entwickelt, die in ihrer Komplexität immer weiter zunehmen. Die Partner entwickeln spezielle Hardware-Bausteine oder Konzepte zur Optimierung und Charakte­ri­sierung des Prozessors auf Theorie- bzw. Software­seite.

U. Stuttgart / RK

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