Quantencomputing – Made in Niedersachsen

Innerhalb der nächsten fünf Jahre soll der erste Quantencomputer mit 50 Qubits in Niedersachsen an den Start gehen. Wie dies gelingen soll, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Initiative Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) der Öffentlichkeit vorgestellt. “Die Leibniz Universität Hannover und ihre Partner im Quantenbündnis verfügen über exzellente Expertise im Bereich der Quantentechnologie. Im DFG-Förderatlas ist die LUH mit dem Bereich `Optik, Quantenoptik und Physik` auf Platz 1. Gemeinsam haben wir damit die besten Voraussetzungen für den erfolgreichen Bau eines Quantenrechners”, fasst LUH-Präsident Prof. Dr. Volker Epping zusammen.

Das Bündnis verfolgt demnach einen der vielversprechendsten Ansätze: das Quantencomputing mit gefangenen Ionen. Bei dieser Technologie werden Ionen ‒ geladene Atome ‒ als Grundrecheneinheit des Computers verwendet, ein Ion ist ein Qubit (anlag zur Einheit Bit bei einem normalen Computer). Mithilfe von elektrischen Feldern können diese Ionen eingefangen werden. Zur Steuerung der Ionen werden meist fokussierte Laserstrahlen verwendet, die allerdings sehr schwer zu kontrollieren sind und einen enormen Aufwand mit sich bringen.

Bei QVLS wollen die Forschenden daher einen anderen Weg gehen, bei dem die Rechenoperationen auf den Qubits mit Mikrowellenfeldern ausgeführt werden. “Mikrowellenbauteile sind heute in jedem Mobiltelefon enthalten, also allgegenwärtig. Mikrowellen lassen sich extrem gut kontrollieren. Und was noch interessanter ist – wir können die entsprechenden Kontrollelemente gleich in die Ionenfallen einbauen”, erläutert Prof. Christian Ospelkaus, Sprecher der Leibniz Universität im Quantenbündnis. Für den Einsatz in Quantencomputern hätte das den Vorteil, dass sich kleinere Fehlerraten als beim Einsatz von hochspezialisierten Lasern erzielen lassen. Ospelkaus: “Das Ganze funktioniert mit geringem Aufwand, sehr genau und ist zudem extrem robust”.

Mit diesem Ansatz konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kürzlich bereits die notwendigen Quanten-Rechenoperationen auf zwei Qubits realisieren. “Die Herausforderung ist nun, diesen Ansatz zu skalieren, um die angepeilten 50 Qubits zu erreichen und – wie in konventionellen Computern – unterschiedliche Register zu ermöglichen, etwa für Rechenoperationen einerseits und Speicheroperationen andererseits”, so Ospelkaus.

Hier zeigt sich nun das perfekte Zusammenspiel der einzelnen Forschungseinrichtungen des Quantenbündnisses mit ihren jeweiligen Expertisen. An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt werden die Chips hergestellt und die Bauteile des komplexen Prozessors vorab in Betrieb genommen und charakterisiert. An der Leibniz Universität entwickeln die Forschenden parallel eine spezielle kryogene Ionenfalle. Der eigentliche Quantencomputer wird schließlich am HITec, dem Forschungsbau der Leibniz Universität für Quantentechnologien entstehen, in Betrieb genommen, angewendet und programmiert. Die TU Braunschweig bringt wichtige Expertise für die Skalierung mittels Chip-integrierter Wellenleiter, Detektoren und Kontrollelektronik ein.

Ospelkaus dazu: “In unserem Konsortium gibt es ausgewiesene Expertinnen und Experten für alle Technologien, die man braucht, um auf dieser Basis einen Quantenprozessor mit vielen Qubits zu bauen.”