Quantenrechner sollen bislang nicht lösbare Problemstellungen effizient lösen können. Dazu gehören beispielsweise die Berechnung der Eigenschaften komplexer Moleküle für die Pharmaindustrie oder auch die Lösung von Optimierungsaufgaben, sei es für Herstellungsprozesse in der Automobilindustrie oder für Berechnungen aus der Finanzwelt.

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 Quantenbits – kurz 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.

Neuartige Materialien für höhere Qualität der Qubits

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 Dr. 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.“

Wichtiger Schritt zur Entwicklung supraleitender Quantenschaltungen in Deutschland

Um in diesem Bereich eine Verbesserung zu erreichen, arbeiten die Forschenden 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 Professor 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 sogenannten 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.

Entwicklung innovativen Erstnutzern zur Verfügung stellen

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 gestellt werden.

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 3 Millionen Euro gehen davon an das KIT.