Panorama

Quantencomputer made in Germany

16.02.2021 - Verbundprojekt befasst sich mit neuartigen Materialien und Fabrikationsmethoden für supraleitende Qubits.

Führende Forscher auf dem Gebiet der supraleitenden Quanten­schaltkreise haben sich die Entwicklung innovativer Konzepte für den Bau eines verbesserten Quanten­prozessors zum Ziel gesetzt. Der im Verbundvorhaben „German Quantum Computer based on Superconducting Qubits“, kurz GeQCoS, zu entwickelnde Quanten­prozessor-Prototyp soll aus einigen wenigen supra­leitenden Qubits mit grundlegend verbesserten Bauelementen bestehen. Bei dieser Technologie werden die wesentlichen Bausteine eines Quanten­computers, die Qubits, durch wider­standslos fließende Ströme in supraleitenden Schaltkreisen realisiert. Diese Ströme sind relativ robust gegenüber äußeren Stör­einflüssen und können die Quanten­eigenschaften über lange Zeiten beibehalten.
 

Die geplanten Verbesserungen betreffen sowohl die Erhöhung der Konnektivität, also der Anzahl an Verbindungen zwischen den einzelnen Qubits, als auch die Verbesserung der Qualität der Qubits und damit der Möglichkeit, schnell und effizient die gewünschten Quanten­zustände herstellen zu können. „Das ist in diesem Stadium eine große Heraus­forderung“, sagt Ioan Pop vom Institut für Quanten­materialien und Technologien des KIT. „Durch den Einsatz von neuartigen Materialien zur Herstellung der Qubits erwarten wir eine bessere Reproduzier­barkeit, eine höhere Qualität der Qubits.“

Um in diesem Bereich eine Verbesserung zu erreichen, arbeiten die Forscher in Sachen alternative Komponenten, Änderung der Architektur, Kopplungs­mechanismen und höhere Genauigkeit der Berechnungen eng zusammen. „Dies ist ein sehr wichtiger Schritt zur Entwicklung supraleitender Quanten­schaltungen in Deutschland. Diese Technologie wird von IT-Führungs­kräften auf dem Gebiet des Quanten­computers bevorzugt und derzeit verfolgt“, betont Alexey Ustinov, Leiter der Forschungsgruppe am physikalischen Institut des KIT. „Das ist eine fordernde Forschungs­tätigkeit zur Lokalisierung und Diagnose von Fehlern. Dabei müssen wir die Fabrikations­methoden verbessern, um Störstellen zu vermeiden, welche die Qualität der Qubits nachhaltig beeinflussen.“

Schon heute seien Quantenrechner in der Lage, kleine spezifische Problem­stellungen zu meistern und die grundlegende Funktionsweise zu zeigen, so die Experten. Langfristiges Ziel sei es, einen universellen Quanten­computer zu entwickeln, der wichtige Rechen­probleme exponentiell schneller als ein klassischer Computer berechne. Eine geeignete Architektur zur Berechnung praxis­relevanter Probleme könne nur durch grund­legende Verbesserungen sowohl der Hardware als auch der Software realisiert werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden im Verbundprojekt auch skalierbare Fabrikations­prozesse entwickelt und die Entwicklung von optimierten Chipgehäusen wird vorangetrieben. Der Quantenprozessor soll schließlich am Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften an einem Prototyp demonstriert werden. Die entwickelten Technologien sollen nicht nur zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen führen, sondern durch eine enge Verknüpfung mit Unternehmen auch das Quanten­ökosystem in Deutschland und Europa stärken. Der entwickelte Quanten­prozessor soll so früh wie möglich sowohl auf der Hardware- als auch auf der Software­ebene innovativen Erstnutzern zur Verfügung stehen.

Neben dem KIT sind die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, das Forschungs­zentrum Jülich, das Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, die Technische Universität München, Infineon und das Freiburger Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper­physik am Projekt beteiligt. Das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung fördert das Verbundprojekt „GeQCoS“ mit 14,5 Millionen Euro, über drei Millionen Euro gehen davon an das KIT.

KIT / DE
 

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