In der Quanten-Welt bewegt sich derzeit einiges: Das hochdynamische Technologiefeld ist nicht nur durch neueste, bundesweite Initiativen in aller Munde, sondern beschäftigt sich auch zunehmend mit kommerziellen Anwendungsfällen. Das Forschungsprojekt IQuAn ermöglich jetzt auch Anwendungsfälle mit High-Performance Computing für externe Nutzer. Dabei ist Mainz mit der Forschungsgruppe um Prof. Schmidt-Kaler in der Entwicklung von Ionen-Quantenprozessoren ein wichtiger Punkt auf der Quantencomputing-Landkarte geworden. Zu Beginn des Jahres startete das neue Forschungsprojekt IQuAn, welches vom BMBF gefördert wird.
Was ist der Gegenstand des IQuAn Projekts?
Im Projekt IQuAn [1], das für Ionen-Quantenprozessor mit HPC-Anbindung steht, forschen Unternehmen, Universitäten und Forschungsinstitute an der Entwicklung einer robusten Quantenprozessorplattform. Das Vorhaben konzentriert sich dabei auf die technologische Entwicklung von essenziellen Komponenten eines skalierbaren Quantenprozessors von bis zu 100 Qubits. Im Fokus steht dabei die Neuentwicklung eines Vielkanal-Radiofrequenzpulsgenerators zur Darstellung von Quantengattern mit hoher Güte sowie die Implementierung von Softwaremodulen zur skalierbaren und effizienten Generierung von Kontrollsequenzen auf Hardwareebene. Dabei geht es unter anderem um die Modularisierung von Soft- und Hardware. Dies ist notwendig, um eine skalierbare Architektur von Quantencomputern auf den Weg zu bringen.
Der Quantenprozessor soll latenzarm an den Mainzer MOGON II High Performance Computer angebunden und für hybrides Quantencomputing auch extern nicht forschenden Nutzern zur Verfügung gestellt werden. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt IQuAn umfasst ein Projektvolumen von 12 Millionen Euro über einen vierjährigen Zeitraum. Die Projektkoordination liegt beim Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Weitere Teilnehmer des Projektkonsortiums sind AKKA Technologies, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, das Forschungszentrum Jülich und die TOPTICA Photonics AG.
Wo stehen wir gerade in der Entwicklung von Quantentechnologien?
Wir befinden uns auf dem Weg in die dritte Quantenrevolution. Nach der Entwicklung der theoretischen Grundlagen um 1900, und der erfolgreichen Umsetzung von Technologien, wie beispielsweise dem Laser um 1960, stehen wir nun vor der Herausforderung unser Systemverständnis soweit zu vergrößern, dass wir die Quantenmechanik auf Fragestellungen aus unserem industriellen und kommerziellen Alltag anwenden können. Unter der dritten Quantenrevolution versteht man Technologien auf Basis von Quantenmechanik in makroskopischen Systemen, die den Bereich kommerzieller Anwendungen erreichen. Dies betrifft Quanten-Sensorik, -Computer, -Simulation und –Kommunikation. Die Entwicklungen sind rasant; die Idee von Ionenfallen-Quantencomputern ist gerade einmal 25 Jahre alt. Im Jahr 1995 beschrieben Ignacio Cirac und Peter Zoller erstmals in den Physical Review Letters den konkreten Aufbau eines Quantencomputers.
Welche Vorteile bringt ein vollautomatisierte Inonenfallen Quantencomputer?
Es gibt mehrere aussichtsreiche Systeme für die Realisierung eines Quantencomputers: Zum einen erfolgt die Umsetzung mithilfe von supraleitenden Schaltkreisen, wie sie zum Beispiel von IBM und Google eingesetzt werden. Die supraleitenden Schaltkreise weisen ein Gatter-zu-Kohärenzzeit-Verhältnis auf, also wie viele Rechenoperationen ausgeführt werden können, das 8 bis 1000-mal kleiner ist als bei dem weiteren aussichtsreichen Ionenfallen-System [Chang et al. 2020, AAPPS Bulletin]. Hier erfolgt die Realisierung über gefangene atomare Ionen. Im Rahmen der Quantum-Flagship-Initiative [2] der Europäischen Kommission arbeiten wir mit Forschern der Universität Mainz und Innsbruck an einem vollautomatisierten Ionenfallen-Quantencomputer mit Kalzium-Ionen-Ketten. Ionenfallen mit mikroskopisch dimensionierten Elektroden sind ein Kernelement bei der Skalierung von Quantenprozessoren. Obwohl supraleitende Quantenprozessoren aktuell über mehr Recheneinheiten verfügen, ist bei gefangenen Ionen die Qualität der Rechenoperationen erheblich besser. Ionenfallen-Quantencomputer mit Rechenoperationen hoher Qualität werden in dem Projekt mit hoher algorithmischer Flexibilität kombiniert und bieten damit vielversprechende neuartige Anwendungsmöglichkeiten. Die Anwenderorientierung in Verbindung mit dem Hochleistungsrechner ist also ein Meilenstein in der Entwicklung der Technologie.
Welche Anwendungsfälle für die industrielle und kommerzielle Nutzung kann man sich bei Quantencomputern vorstellen?
Ein leistungsstarker Quantencomputer kann einen entscheidenden Beitrag zur Lösung komplexer Probleme leisten. Ein Beispiel aus dem Alltag sind Navigationssysteme, bei denen gleichzeitig mehrere Routenoptionen unter bestimmten Bedingungen berechnet werden. Derzeit werden die Optionen alle einzeln berechnet. Ein Quantencomputer könnte die Optionen in einem Bruchteil der Zeit alle gleichzeitig berechnen und somit schneller und effizienter den optimalen Weg finden. Große Potenziale ergeben sich auch in den Bereichen der Materialforschung sowie in der Medizintechnik und dem Finanzwesen. Hier sind schon jetzt Algorithmen bekannt, die selbst für den größten aktuellen Supercomputer zu rechenintensiv sind, deren Fragestellungen aber mit genügend Quantenbits gelöst werden könnten. Der hybride Einsatz von Quantencomputern und HPC bietet auch einen vielversprechenden Hebel im Bereich des maschinellen Lernens, bei dem die Teile der Programme, die von einem klassischen Computer nur schwer verarbeitet werden können, einem Quantensystem zugewiesen werden. In diesem Subsystem können die Berechnungen dann effizient durchgeführt werden und dann die Ergebnisse an das Gesamtsystem zurück geliefert werden, vergleichbar dem Einsatz von Grafikkarten. Auch der Bereich der Kryptographie kann von Quantencomputern stark profitieren: Die Quantenkryptographie kann die Lebensdauer heutiger kryptographischer Systeme deutlich verlängern und findet z.B. im Banken- und Krankenversicherungsbereich sehr gute Anwendungen. Dabei kann der Quantencomputer als Quelle echter Zufallszahlen eingesetzt werden, oder bei der Erzeugung sicherer Schlüssel mit Hilfe der Verschränkung der Qubits in verteilten Systemen verwendet werden.
Auf welche innovativen Ansätze stützt sich das Forschungsprojekt?
Im IQuAn-Verbund wird ein neuer, skalierbarer Ansatz mit hoher Qubit-Konnektivität verfolgt. Dieser fordert auch im Bereich der Steuerungselektronik die Entwicklung von neuen Soft- und Hardwarekomponenten für die elektronischen Kontrolleinheiten für Quantenprozessoren.
Im Projekt wird beispielsweise daran gearbeitet, die bestehende Kontrollelektronik auf die Anforderungen eines solch skalierbaren Systems zu erweitern. Dies betrifft nicht nur die Vernetzung und Modularisierung der Soft- und Hardware-Komponenten untereinander, sondern auch die Anpassung der Prozesse an die wachsenden Anforderungen immer größerer Systeme. So versetzen wir die Kontrollelektronik auch in die Lage, auf der Zeitskala der Experimente Entscheidungen im Programmablauf zu treffen, um bei der steigenden Komplexität der Berechnungen im Quantencomputer Leerlauf-Zeiten zu minimieren.
Die Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungsinstituten im IQuAn Projekt ist ein wichtiger Schritt in der Realisierung neuer Technologiefelder wie Quantentechnologien und High Performance Computing.
Welches Potenzial hat das IQuAn Projekt, beispielsweise für die Mobilitätsindustrie?
Die Skalierbarkeit und Qualität der Rechenleistung von Ionenfallen-Quantencomputern ist der Schlüssel zum Erfolg. Durch die Zusammenarbeit von Forschung und Industriepartnern werden konkrete Anwendungsfälle aus dem industriellen und kommerziellen Alltag, zum Beispiel bezüglich der Entwicklung von Steuerungselektronik für quantenoptische Experimente mit segmentierten Ionenfallen, in das Projekt mit eingebracht und garantieren so den Wissenstransfer in den industriellen Alltag. Aufgrund dieser Neuerungen und der Entwicklung nach Industriestandards bieten sich Perspektiven zur Kommerzialisierung des Systems, auch über auf gefangenen Ionen basierenden Quantencomputer-Plattformen hinaus.
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