Fraunhofer-Institut für SiliziumtechnologieIonenfallen-Quantencomputer mit über 200 Qubits: Kick-off des vom BMFTR geförderten Projekts SQale
Skalierbare Quantencomputer durch modularen Ansatz
Das SQale-Projekt wird mit seinem innovativen Ansatz zur Entwicklung von Ionenfallen-basierten Quantencomputern der nächsten Generation den Bereich des Quantencomputings maßgeblich voranbringen. Mit über 200 miteinander verbundenen Qubits sollen beispiellos niedrige Fehlerraten für die Implementierung von NISQ-Algorithmen und das Testen fortschrittlicher Fehlerkorrekturtechniken erzielt werden. Das gemeinsame Projekt der neQxt GmbH und des FZ Jülich wird vom BMFTR mit insgesamt 18,4 Mio. Euro gefördert.
Quantencomputer besitzen enormes Potenzial, die Grenzen klassischer Rechenmethoden zu überwinden. In einem breiten Spektrum an Aufgaben – beispielsweise bei chemischen Simulationen, in der Materialforschung oder bei Optimierungsaufgaben – kann Anwendern damit ein revolutionäres Werkzeug an die Hand gegeben werden. Bislang tun sich jedoch alle Quantencomputing-Systeme sehr schwer mit der Skalierung.
Das SQale-Projekt unter Leitung der neQxt GmbH adressiert genau diese Herausforderung und stellt ein bedeutendes Vorhaben zur Entwicklung der nächsten Generation von Ionenfallen-basierten Quantencomputern dar. Der innovative modulare Ansatz integriert mehr als 200 miteinander verbundene Qubits, die so konzipiert sind, dass sie weltweit kompetitiv niedrige Fehlerraten erreichen. Ein wichtiges Ziel besteht darin, die Implementierung und Validierung von NISQ-Algorithmen (Noisy Intermediate-Scale Quantum) zu erleichtern und damit den Weg für anspruchsvollere Anwendungen in verschiedenen Branchen zu ebnen.
Vertreter aller am Projekt beteiligten Partner und Unterauftragnehmer kamen zu einem gemeinsamen Kick-off-Meeting in den Räumlichkeiten von neQxt in Weiterstadt bei Darmstadt zusammen.
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert das Projekt im Rahmen der Maßnahme »Enabling Start-up – Unternehmensgründungen in den Quantentechnologien und der Photonik« über einen Zeitraum von vier Jahren mit insgesamt 18,4 Mio. Euro.
Die Mission von SQale
SQale steht für eine anspruchsvolle Mission, bei der die neQxt GmbH Ionenfallen-Quantencomputer der nächsten Generation anstrebt. Diese Quantencomputer mit mehreren hundert verbundenen Qubits sollen einige der niedrigsten Fehlerraten weltweit erreichen. Zur Umsetzung dieser Ziele sind eine Reihe bahnbrechender Innovationen bei Qubit-Operationen und der Architektur notwendig, welche in diesem Projekt umgesetzt werden sollen.
Die weitreichenden Entwicklungen und Fortschritte in SQale werden die Basis dafür bilden, in Richtung modular skalierbarer Systeme mit mehreren tausend Qubits voranzuschreiten. SQale legt damit einen entscheidenden Grundstein für die Etablierung eines zukünftigen Quantenrechenzentrums in Deutschland, welches Kunden per Cloud den Zugriff auf international wettbewerbsfähige Quantencomputer erlaubt und somit die technologische und digitale Souveränität Deutschlands stärkt.
Beiträge der Verbundpartner und Unterauftragnehmer
Die Firma neQxt koordiniert das gesamte Projekt, entwirft, baut, integriert und testet nicht nur die der Technologie zugrunde liegenden Ionenfallen selbst, sondern auch die weitere Hardware des Quantencomputers. Zuarbeiten der Partner und Subunternehmer werden unmittelbar getestet und können so dynamisch angepasst und verbessert werden. Auch notwendige Elektronikkomponenten werden von neQxt selbst entworfen und gebaut. Als Full-Stack-Quantencomputing-Firma zeichnet neQxt zudem für sämtliche Steuerungs- und Betriebssoftware des Quantencomputers verantwortlich.
Das Forschungszentrum Jülich (FZJ) wird im Projekt und auch über dessen Abschluss hinaus eine wichtige Rolle spielen, indem es sich auf die Entwicklung robuster Fehlerkorrekturalgorithmen konzentriert, die für die erfolgreiche Implementierung und den verlässlichen Betrieb von Quantencomputersystemen unerlässlich sind.
Um echte Skalierbarkeit zu ermöglichen ist der Einsatz integrierter Wellenleitersysteme mit aktiven Wellenleitermodulatoren geplant. Diese werden im Rahmen von Unteraufträgen durch das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) und das Fraunhofer-Institut für Silizium-Technologie (ISIT) speziell für SQale entwickelt und umgehend an den Ionenfallensystemen von neQxt getestet.
Weitere Subunternehmer wie die Firma CAVITY technologies und das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) werden durch fortschrittliche optische Resonator-Designs und der Entwicklung eines neuartigen Lasermoduls eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Systemperformance spielen.
Das sagen die verantwortlichen Personen
»SQale soll nicht nur einen bedeutenden Sprung in der Hardware-Entwicklung markieren, sondern auch den Grundstein für die Skalierung und Kommerzialisierung der Technologie legen.« sagt Dr. Björn Lekitsch, Chief Technology Officer bei neQxt und Projektleiter für SQale.
»Unser Engagement für die Grundlagenforschung in diesem Bereich stellt sicher, dass die Ergebnisse von SQale weit über die reine Hardwareentwicklung hinausgehen und den Weg für zukünftige technologische Fortschritte ebnen, die insbesondere für skalierbares fehlerkorrigiertes Quantencomputing notwendig sind,« sagt Prof. Dr. Markus Müller, Leiter der Forschungsgruppe für theoretische Quantentechnologien am von ihm geleiteten Peter-Grünberg-Institut 2 am Forschungszentrum Jülich und am Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen.
Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke, Head of Technology am Fraunhofer IMS fügt hinzu: »Integrierte photonische Schaltkreise bilden das Rückgrat zukünftiger Quantentechnologien. Als Schlüsseltechnologie für Ionenfallen-Quantencomputer ermöglichen sie eine präzise Lichtsteuerung auf kleinstem Raum – und damit einen entscheidenden Schritt hin zu skalierbaren, industriell nutzbaren Quantenprozessoren. Wir entwickeln hierfür die passgenaue Technologie.«
»Am Fraunhofer ISIT arbeiten wir im Projekt SQale an vielen Fronten«, ergänzt Prof. Dr. Shanshan Gu-Stoppel, Head of research group optical systems am Fraunhofer ISIT. »Diese reichen von Hochgeschwindigkeitsschaltern für photonische Schaltungen über den Einsatz von MEMS-Spiegeln in optischen Kavitäten zur Stabilisierung und Steigerung der Readout-Effizienz bis hin zur innovativen Wafer-Technologie für die heterogene optische Integration.«
»Wir freuen uns, mit einem einzigartigen Diodenlasermodul im Hosentaschenformat, das ultrakurze Pulse liefert, Teil dieses äußerst zukunftsträchtigen Vorhabens zu sein«, erklärt Dr. Katrin Paschke, Head des Laser Modules Lab am Ferdinand Braun Institut.
»Skalierbares Quantencomputing stellt extreme Anforderungen an die zugrunde liegende Lasertechnologie. Mit unseren rauscharmen Lasersystemen unterstützen wir neQxt im SQale-Projekt auf dem Weg zu Quantencomputern der nächsten Generation«, so Dr. Liam Shelling Neto, Geschäftsführer der CAVITY technologies UG.
Kommerzialisierung und Souveränität
NeQxt deckt die gesamte Produktentwicklungskette ab – von der Hardwareentwicklung über Softwareentwicklung bis hin zu den Algorithmen. Durch die Konzentration auf die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer mit außergewöhnlich niedrigen Fehlerraten bringt soll SQale nicht nur die praktische Anwendung des Quantencomputings ein Stück näher rücken, sondern auch die Voraussetzungen für zukünftige Innovationen und Entwicklungen schaffen und die Brücke zur effektiven kommerziellen Nutzung schlagen.
Die zukünftige Markteinführung der im Rahmen von SQale zu entwickelnden, hoch leistungsfähigen Quantencomputer wird nicht nur Branchen wie die Chemie und Kryptografie verändern, sondern auch neue Wege für die akademische Forschung eröffnen und neue Anwendungen ermöglichen, die mit heutigen Systemen nicht darstellbar sind. Der starke Fokus von neQxt und seinen Partnern auf technologischer Souveränität kann und soll dabei einen wichtigen Beitrag dazu liefern, dass sich Deutschland und die EU nicht erneut in einem wichtigen Technologiefeld in kritische Abhängigkeiten außereuropäischer Player begeben.
Über die Projektpartner
Über neQxt
Die neQxt GmbH ist ein Full-Stack-Quantencomputing-Unternehmen und deckt das gesamte Spektrum von der Fertigung der Hardware bis zur Software-Entwicklung ab. neQxt ist eine Ausgründung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die aus der Arbeitsgruppe Schmidt-Kaler hervorgegangen ist. Dadurch kann das Unternehmen auf eine jahrzehntelange Erfahrung im Bereich Ionenfallen-Quantencomputer zurückgreifen. Zum Produktportfolio von neQxt gehören Quantencomputing-Simulatoren, portable Quantencomputer-Systeme, Cloud-Zugang zu Quantencomputern sowie Enabling-Technologien.
https://www.neqxt.org/
Über FZ Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH ist eine der größten interdisziplinären Forschungseinrichtungen Europas und Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft. Das Peter-Grünberg-Institut PGI-2 unter Leitung von Prof. Dr. Markus Müller beschäftigt sich mit der theoretischen Erforschung und Entwicklung von Konzepten für skalierbare Quanteninformationsverarbeitung. Die Forschungsgruppe für theoretische Quantentechnologien befasst sich schwerpunktmäßig mit der Erforschung und Umsetzung von Methoden der Quantenfehlerkorrektur und des fehlertoleranten Quantencomputings. Dies geschieht oft in enger Zusammenarbeit mit führenden, auf verschiedenen Quantenhardware-Plattformen tätigen experimentellen Teams, insbesondere mit gefangenen Ionen, Neutalatomen wie auch festkörperbasierten Ansätzen wie supraleitenden Qubits.
Über die Unterauftragnehmer
Über das Fraunhofer ISIT
Das Fraunhofer-Institut für Silizium-Technologie (ISIT) ist eine der europaweit modernsten Forschungseinrichtungen für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Herzstück des Instituts sind die Reinraumanlagen, die exzellente Forschungsbedingungen bieten und zugleich die Fertigung entwickelter Mikrochips im industriellen Maßstab ermöglichen. Rund 180 Wissenschaftler/-innen entwickeln am ISIT in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern Bauelemente der Leistungselektronik und Mikrosysteme, u.A. für photonische Systeme und Quantencomputer.
https://www.isit.fraunhofer.de/
Über das Fraunhofer IMS
Mit intelligenten Sensorsystemen gestaltet das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) eine sichere und nachhaltige Zukunft. In hochmodern ausgestatteten Laboren forschen über 220 wissenschaftliche Mitarbeitende und Studierende an innovativen mikroelektronischen Lösungen. Als zuverlässiger Forschungs- und Entwicklungspartner realisiert das Institut maßgeschneiderte Sensorik und Elektronik für Anwendungen in Gesundheit, Industrie, Mobilität, Raumfahrt sowie für Sicherheits- und Verteidigungstechnologien. Die Lösungen des Fraunhofer IMS überzeugen durch hohe Integrationsfähigkeit, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit auch unter anspruchsvollen Bedingungen. Sie ermöglichen den Transfer von Halbleitertechnologien und -prozesse vom Labor über Pilotprojekte bis zur industriellen Fertigung (Lab-to-Fab).
https://www.ims.fraunhofer.de/
Über das FBH
Das Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist eine anwendungsorientierte Forschungseinrichtung auf den Gebieten der Hochfrequenzelektronik, Photonik und Quantenphysik. Das Institut erforscht elektronische und optische Komponenten, Module und Systeme auf der Basis von Verbindungshalbleitern. In enger Zusammenarbeit mit der Industrie führen seine Forschungsergebnisse zu innovativen Produkten.
Über CAVITY technologies
CAVITY technologies UG entwickelt und optimiert ultrastabile Lasersysteme und optische Resonatoren für anspruchsvolle Anwendungen in Forschung und Industrie. Das Unternehmen unterstützt Kunden entlang der gesamten Entwicklungskette, von der Beratung bis zur realisierten Hardware, und macht optische Resonatoren effizienter, robuster und für ein breiteres Anwendungsspektrum zugänglich.
Weitere Informationen zum Projekt finden Sie hier:
