Umsicht

Auf dem Weg zum Quantencomputer auf Basis supraleitender Festkörperschaltkreise ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt an der Entwicklung der notwendigen Messtechnik beteiligt.

Ein Quantencomputer auf Basis supraleitender Schaltkreise hat einen großen Vorteil: Seine Quantenbits (Qubits) sind relativ robust gegenüber äußeren Störungen. Daher setzt das jetzt gestartete bundesweite Verbundprojekt QSolid auf diese Technologie. Innerhalb der nächsten fünf Jahre will es ein Ökosystem (also eine Kollaborationsplattform) für einen Quantencomputer-Demonstrator entwickeln. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat als nationales Metrologieinstitut eine Vorreiterrolle im Bereich der Supraleitungsmetrologie: Hier hält sie eine weltweit führende Spitzenstellung. Im Projekt will sie besonders rauscharme supraleitende Schaltungen der nächsten Generation entwickeln, für die hochpräzise Fertigungsmethoden nötig sind. Darauf aufbauend sollen zukünftig Kalibrierangebote entstehen, die am Quantentechnologie-Kompetenzzentrum der PTB von Industriepartnern genutzt werden können.

Quantencomputer könnten in der Zukunft herkömmlichen Superrechnern bei bestimmten Aufgaben weit überlegen sein. Die Technologie steckt allerdings noch in den Kinderschuhen: Die Fehleranfälligkeit der Quantenbits, kurz Qubits, gilt als Knackpunkt bei der Quantencomputer-Entwicklung. Die Quantenzustände, die zur Speicherung der Quanteninformation genutzt werden, reagieren äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse.

Oftmals werden sie gestört, bevor alle Rechenoperationen abgeschlossen sind. Hier kommen supraleitende Qubits ins Spiel: Sie sind relativ robust gegenüber äußeren Einflüssen. Darin sehen die Beteiligten am Verbundprojekt QSolid die große Chance auf dem Weg zu einem Quantencomputer-Demonstrator und letztlich zum ersten marktfähigen Quantencomputer. Sie setzen auf die Supraleitungs-Technologie.

Im Projekt QSolid arbeiten 25 Partner gemeinsam an einem fehlerverbesserten Quantencomputer. Neben dem koordinierenden Forschungszentrum Jülich bringt unter anderem die PTB ihre Expertise ein. Das Ziel des Forschungsprojekts ist der Aufbau eines Ökosystems, das in die Supercomputing-Umgebung des Forschungszentrums Jülich eingebettet ist. Dieses Ökosystem soll auch externen Nutzern, zum Beispiel aus der Industrie, zugänglich gemacht werden.

Der Quantencomputer soll über mehrere supraleitende Quantenprozessoren der nächsten Generation verfügen, darunter ein sogenanntes Moonshot-System, das klassischen Computern hinsichtlich der Rechenleistung nachweislich überlegen ist. Ein erster Demonstrator soll ab Mitte 2024 in Betrieb gehen. Deutschland will eine international führende Rolle in der Quantentechnologie einnehmen; daher fördert das Bundesforschungsministerium das Projekt QSolid mit fast 90 Prozent des Gesamtbudgets von 76,3 Millionen Euro, über das das Projekt in seiner fünfjährigen Laufzeit verfügt.

Der Beitrag der PTB ist es, besonders rauscharme supraleitende Schaltungen der nächsten Generation zu entwickeln, für die hochpräzise Fertigungsmethoden nötig sind. Dazu untersucht der PTB-Fachbereich 2.4 Quantenelektronik robuste und zuverlässige Techniken zum Auslesen von Qubits, mit dem Ziel, die Kontrolle über den Zustandsraum eines Qubits zu verbessern. Mit einer besseren Kontrolle kann die Qubit-Fidelität gesteigert werden. Fidelität ist ein Maß dafür, wie weit real implementierte Kontrolloperationen von den theoretisch erwünschten abweichen. Zu den Forschungsarbeiten gehören ebenfalls die Herstellung und Charakterisierung von Funktionsmustern parametrischer Verstärker, die eine Verstärkung am Quantenlimit erlauben.

Auf dieser Arbeit aufbauend ist geplant, zusammen mit dem neuen Quantentechnologie-Kompetenzzentrum an der PTB Kalibrierangebote für supraleitende parametrische Verstärker und Qubits zu etablieren. Die Kalibrierangebote sollen dann perspektivisch am Quantentechnologie-Kompetenzzentrum von Industriepartnern genutzt werden können.