Quantencomputer Optik unterstützt ionenbasierten Quantencomputer für die Industrie

Autor / Redakteur: Dr. Andreas Thoss und Dr. Erik Beckert / Peter Königsreuther

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena liefern die Optik für einen Quantencomputer auf Ionenbasis. Er wird 2021 mit 50 Qubits im 19-Zoll-Format aufgebaut.

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Einen industrietauglichen Quantenrechner wollen Experten, zu denen auch das Fraunhofer-IOF aus Jena gehört, im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts „AQTION“ entwickeln. Das Computersystem nutzt gespeicherte Ionen als Qubits.
Einen industrietauglichen Quantenrechner wollen Experten, zu denen auch das Fraunhofer-IOF aus Jena gehört, im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts „AQTION“ entwickeln. Das Computersystem nutzt gespeicherte Ionen als Qubits.
(Bild: Universität Insbruck)

Moderne Computer können gigantische Datenmengen verarbeiten. Sie tun dies allerdings nicht viel anders als 1937 der Z1 von Konrad Zuse, der erste programmierbare Rechner. Sie zählen und verbinden Zahlen schrittweise, in wenigen einfachen Operationen wie Addieren und Negieren. Eine immer höhere Taktfrequenz und eine enorme Miniaturisierung ermöglichen derzeit zwar noch Fortschritte. Bei beiden leistungssteigernden Methoden sind aber bald die physikalischen Grenzen erreicht.

Die Rechenkapazität steigt mit der Zahl der Qubits exponentiell

Quantencomputer dagegen, gehen einen neuen Weg. Denn sie verknüpfen die Quantenfunktionen ihrer als Qubits bezeichneten Elemente und ermitteln so die Ergebnisse über diese Verknüpfung. Qubits können diskrete Zustände einnehmen. Gerechnet wird allerdings durch die kontinuierliche Überlagerung dieser Zustände. Dabei arbeiten Quantencomputer nicht nur hochgradig parallel, sie ersetzen auch das digitale Denken von nur zwei möglichen Zuständen, durch ein Konzept kontinuierlicher Funktionen. Die Rechenkapazität steigt dabei exponentiell mit der Zahl der Qubits an.

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Diese Technologie ist im Vergleich zu digitalen Prozessen so disruptiv, wie es der Laser im Vergleich zur Glühlampe war. So wie der Laser nicht alle Lampen ersetzt hat, wird aber auch der Quantencomputer herkömmliche Rechner nicht völlig aufs Abstellgleis verbannen – er wird sie aber an einigen Stellen erweitern und Lösungen für Probleme finden, die heute noch nicht berechnet werden können.

Der industrietaugliche Quantencomputer im Fokus der Entwickler

Schon heute bieten Großkonzerne wie IBM oder Google Außenstehenden die Möglichkeit, Probleme auf ihren Quantencomputern zu bearbeiten. Das funktioniert ähnlich wie bei Rechenzentren vor 50 Jahren: Man schickt einen Job hin und erhält später das Ergebnis. Im vergangenen Jahr hat IBM mit der Fraunhofer-Gesellschaft nun auch begonnen, einen ersten Quantencomputer in Deutschland aufzubauen. Inzwischen sind erste Forschungsprojekte an diesem System mit 27 Qubits gestartet. Die Quantencomputer muss man sich als komplexe Einzelstücke vorstellen, die eine ganze Servicemannschaft beschäftigen.

Einen industrietauglichen Quantenrechner wollen die Partner im europäischen Forschungsprojekt „AQTION“ entwickeln. Ihr System nutzt gespeicherte Ionen als Qubits – sogenannte Ionen-Qubits. Diese, eine Ladung tragenden, Atome können in mikroskopisch kleinen, elektromagnetischen Fallen gehalten und in denselben mit Laserstrahlen kontrolliert werden.

Das ist zwar nicht neu, doch blickt man zurück, so füllten solche Ionenfallen ganze Laboratorien. Inzwischen sind sie aber auch auf ein handliches Format geschrumpft. Ein erster Prototyp mit 10 Ionen-Qubits arbeitet bei den Projektpartnern an der Universität Innsbruck. Und am Fraunhofer-IOF in Jena wurden dafür die Optik und die Lasertechnik zur Kontrolle der Ionen gebaut. Erik Beckert ist am IOF für die Entwicklung verantwortlich. Er betont: „Wir arbeiten jetzt an der Skalierung auf 50 Qubits. Die Inbetriebnahme des größeren Systems ist noch für 2021 geplant. Doch wegen der Corona-Krise ist das derzeit recht schwierig. Aber wir hoffen, dass wir das bis zum Jahresende trotzdem schaffen.“

Die technische Herausforderung heißt, 50 Strahlen müssen so ausgerichtet werden, dass der Fokus zur Kontrolle jedes Ions genauer als 100 Nanometer positioniert ist. Erreicht wird das über mit MOEMS-Mikroprismen (MOEMS = Micro-Opto-Electro-Mechanical System). Die Linie mit 50 separaten Laser-Spots muss dann noch in die kleine Vakuumkammer übertragen werden, wo Kalziumionen im Abstand von jeweils 3 bis 4 Mikrometern schweben.

Was kann man mit so einem Ionen-Qubit-Quantencomputer machen?

Wo die Reise hingeht, erklärt eine Studie der Fraunhofer-Allianz Big Data und Künstliche Intelligenz. Demnach können Quantencomputer große Datenbestände in einem einzigen Schritt verarbeiten und Muster in den Daten aufspüren, die klassische Computer nicht entdecken. Auch können sie trotz unvollständigen oder unsicheren Daten verlässliche Ergebnisse liefern. Die Pharmaindustrie nutzt Quantencomputer deshalb schon, um neue Wirkstoffe zu entwickeln. Laut Handelsblatt, hat auch die Volkswagen AG schon lange Teams in München und San Francisco in petto, die mit Quantencomputern arbeiten. Deren Aufgabe ist es, effizientere Routen bei erhöhtem Verkehrsaufkommen zu berechnen.

Die Forschenden am „AQTION“-Projekt arbeiten, genauer gesagt daran, dass die Technik einfacher wird. Und nach der Skalierung auf 50 Qubits ist eine Verdopplung geplant. Doch das ist erst der Anfang. Im Corona-Hilfspacket der Bundesregierung sind 2 Milliarden Euro vorgesehen, mit denen die Forschungsinfrastruktur für Quantencomputer in Deutschland auf ein neues Niveau gehoben werden soll. Das Projekt wird im Übrigen im Rahmen der Hannover Messe Digital ab dem 12. April präsentiert.

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