Der Bau eines kompletten Quantenrechners basierend auf Spitzentechnologie aus Deutschland ist das Ziel des fünfjährigen Verbundprojektes QSolid, das zu 89,8% vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Der zu entwickelnde Quantencomputer soll über mehrere supraleitende Quantenprozessoren der nächsten Generation verfügen und selbst Supercomputern hinsichtlich der Rechenleistung bei bestimmten Aufgaben deutlich überlegen sein. Kernkompetenz und erste Schaltkreise kommen auch aus Thüringen: Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. (Leibniz-IPHT) bringt seine langjährige Expertise in der Herstellung und Charakterisierung supraleitender Schaltungen in das Vorhaben ein und wird durch die Entwicklung neuer Produktionsverfahren die Realisierung bedeutend leistungsfähigerer Quantencomputer mit voranbringen.

Quantencomputer versprechen Durchbrüche im Bereich der Material- und Wirkstoffentwicklung oder bei der Optimierung der Verkehrssteuerung und könnten herkömmlichen Superrechnern bei spezifischen Aufgaben weit überlegen sein. 25 führende deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben sich im Verbundprojekt QSolid (Quantencomputer im Festkörper) zusammengeschlossen, um einen Demonstrator eines Quantencomputers auf Basis supraleitender Quantenbits (Qubits) zu entwickeln. Vorgesehen ist ein System, das verschiedene Quantenprozessoren enthält, die auf supraleitenden Schaltkreisen der nächsten Generation mit reduzierter Fehlerrate beruhen.

Unterstützung erhält das Verbundprojekt vom Leibniz-IPHT aus Jena. Das Institut verfügt nicht nur über jahrzehntelange Erfahrung in der Erforschung, im Design und in der Charakterisierung supraleitender Quantenschaltungen, vor allem von Qubits, sondern auch über eine bestehende Fertigungslinie für supraleitende Schaltungen. Diese soll zu einer Pilotlinie für supraleitende Quantenschaltkreise ausgebaut werden.

„Im Rahmen des Projektes werden wir unsere bestehenden und etablierten Verfahren optimieren und neue skalierbare Herstellungs- und Charakterisierungsprozesse erforschen und entwickeln, um hochwertige und präzise supraleitende Schaltungen für den Quantencomputer der Zukunft produzieren zu können“, erklärt Dr. Ronny Stolz, Leiter der Abteilung Quantensysteme am Leibniz-IPHT.

Am Institut in Jena werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die dem Quantenrechner zugrunde liegenden Schlüssel- und Schaltungskomponenten realisieren. „Diese reichen von zentralen Elementen der Quantenprozessoreinheit (QPU) und Verstärkern zum Auslesen der Qubit-Zustände bis hin zu Schaltungen zur Ansteuerung und Signalführung“, erläutert Dr. Gregor Oelsner, Leiter der Arbeitsgruppe Quantenschaltungen in der Abteilung Quantensysteme sowie Teilprojektleiter von QSolid am Leibniz-IPHT. Darüber hinaus werden neuartige supraleitende Materialien und Materialkonzepte für Schaltungselemente erforscht und erarbeitet, die verbesserte Eigenschaften und Funktionalitäten ermöglichen sollen.

Der im Verbundprojekt QSolid zu realisierende Quantencomputer mit Hochtechnologie aus Deutschland soll auf verbesserten und äußerst robusten Quantenschaltkreisen aufbauen. „Die Optimierungen, die uns vorschweben, fangen bei besonders fehlerarmen supraleitenden Schaltungen der nächsten Generation an, die wir unter anderem durch hochpräzise Fertigungsmethoden und neue Materialsysteme erreichen wollen“, erklärt Projektkoordinator Prof. Frank Wilhelm-Mauch vom Forschungszentrum Jülich. Durch die Unterstützung der Jenaer Forschenden werden wichtige Weichen zum Erreichen dieses Ziels gestellt.

Erste Vorläufer der im Projekt QSolid geplanten Demonstratoren werden für das Jahr 2024 erwartet und basieren auf am Leibniz-IPHT produzierten Kernkomponenten. Die Fertigung supraleitender Quantenschaltungen soll nach Abschluss des Projektes als Foundry-Service Unternehmen in Deutschland und Europa zur Verfügung stehen.

Verbundprojekt QSolid

Im fünfjährigen Verbundprojekt mit einer Gesamtfördersumme in Höhe von 76,3 Millionen Euro und 89,8%iger BMBF-Förderung arbeiten 25 deutsche Forschungseinrichtungen und Unternehmen an einem fehlerverbesserten Quantencomputer. Das Forschungskonsortium ist das größte dieser Art in Deutschland und wird vom Forschungszentrum Jülich koordiniert. Der entstehende Demonstrator des Quantencomputers soll über die Jülicher Quantencomputer-Infrastruktur JUNIQ (Jülich UNified Infrastructure for Quantum computing) externen Nutzern zugänglich gemacht und auf deren Bedürfnisse zugeschnitten werden. www.q-solid.de

Im Bild:
Forschende am Leibniz-IPHT bereiten die mK-Messplattform für den ersten Einsatz in QSolid vor.