BMBF-Projekt „QPIC-1“ erforscht Quantencomputer auf Basis von Lichtteilchen

Im jüngst gestarteten Projekt „Photonisch-Integrierter Quantencomputer (QPIC-1)“ erforscht ein Konsortium aus fünf Hochschulen, zwei außeruniversitären Forschungseinrichtungen und einem Unternehmen in den nächsten vier Jahren unter der Führung der Technischen Universität München einen Quantencomputer auf der Basis von Lichtteilchen. Mit der Förderung dieser Technologie werden ganz verschiedene Ansätze zur Entwicklung eines Quantencomputers „Made in Germany“ durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt. Gefördert wird „QPIC-1“ mit insgesamt 15,3 Millionen Euro, die aus dem Konjunktur- und Zukunftspaket der Bundesregierung stammen. Hierzu erklärt Bundesforschungsministerin Anja Karliczek:

„Mit Hilfe von Quantencomputern werden wir künftig Probleme innerhalb von wenigen Minuten lösen können, für die heutige Computer Jahrzehnte an Rechenzeit benötigen. Quantencomputing wird in vielen gesellschaftlich relevanten Gebieten zu nachhaltigen Verbesserungen und wichtigen Innovationssprüngen führen: Es hat das Potential, die Chemie durch die Simulation von Molekülen und ihrem Reaktionsverhalten zu revolutionieren. Statistischen Verfahren der Künstlichen Intelligenz können Quantencomputer zu neuen Durchbrüchen verhelfen. Auch das Design neuer Medikamente oder neuer Werkstoffe für die Industrie werden damit vorangebracht. Als Innovationsland wollen und müssen wir auch in Zukunft bei Quantensystemen in der Weltspitze vorne mitspielen. Wir wollen dafür möglichst schnell selbst Quantencomputer ‚Made in Germany‘ entwickeln.

Mit dem Start des Projekts ‚QPIC-1‘ wird die Entwicklung von Quantencomputern auf der Basis von Lichtteilchen, den Photonen, durch das Bundesforschungsministerium vorangebracht. Insgesamt erforschen nun acht Projekte seit Sommer 2021 neue, skalierbare Quantenprozessoren auf Basis ganz unterschiedlicher technologischer Ansätze für das Quantencomputing. Der Werkzeugkasten zur Förderung des Quantencomputing ist damit vorerst komplett.

Das ist ein wichtiger Beitrag zur technologischen Souveränität Deutschlands und Europas. Wir müssen auch zukünftig in der Lage sein, aus eigener Kompetenz heraus Schlüsseltechnologien zu verstehen, sie zu entwickeln und daraus Geschäftsideen zu kreieren.

Den Forscherinnen und Forschern, die mit ihren zukunftsweisenden Ideen nun Tag für Tag die technologischen Grundlagen für den ersten praxistauglichen Quantencomputer ‚Made in Germany‘ legen, wünsche ich viel Erfolg!“

Hintergrund:

Die Förderrichtlinie „Quantenprozessoren und Technologien für Quantencomputer“ (Gesamtfördervolumen rund 110 Millionen Euro), zu der das Projekt „QPIC-1“ gehört, adressiert die Entwicklung skalierbarer Quantenprozessoren der nächsten Generation. In diesem Rahmen sind acht große Förderprojekte gestartet, in denen interdisziplinäre Verbünde aus Wissenschaft und Industrie neuartige Konzepte für Quantenprozessoren erforschen. Diese sollen die Basis für zukünftige praxistaugliche Quantencomputer bilden. Dabei verfolgen die Verbünde unterschiedliche Ansätze - von Atom- und Ionenfallen über Supraleiter- und Halbleitertechnologien bis hin zu optischen bzw. photonischen Technologien.

Auch die Frage nach möglichen Anwendungen wird mit den Mitteln des BMBF schon frühzeitig in den Blick genommen. So ist auf dem Weg zum Quantencomputer neben der Hardwareentwicklung auch die Entwicklung spezieller Algorithmen sehr wichtig. In diesem Bereich unterstützt das BMBF mit der Förderrichtlinie „Quanteninformatik – Algorithmen, Software, Anwendungen“ sieben weitere Forschungsverbünde, die ebenfalls in den letzten Monaten gestartet sind.

Weitere bedeutende Projekte, die neuen Forschungsfragen zum Quantencomputing nachgehen, werden durch die im Frühjahr 2021 im Rahmen des Konjunktur- und Zukunftspakets veröffentlichten Förderrichtlinien „Quantencomputer-Demonstrationsaufbauten“ und „Anwendungsnetzwerk für das Quantencomputing“ adressiert. Sie sollen bis Ende des Jahres anlaufen.

Insgesamt zwei Milliarden Euro stehen im Konjunktur- und Zukunftspaket der Bundesregierung für die Entwicklung von Quantentechnologien bereit. Das BMBF fördert mit rund 1,1 Milliarden Euro bis zum Jahr 2025 Forschung und Entwicklung der Quantentechnologien und legt dabei einen speziellen Fokus auf das Quantencomputing.

Übersicht über die Projekte der Fördermaßnahme „Quantenprozessoren und Technologien für Quantencomputer“:

Technologischer Ansatz: Verschränkte Photonen

Das Projekt QPIC-1 (01.09.2021 - 31.08.2025) setzt auf Photonen für die Entwicklung eines Quantenprozessors. Dazu nutzen die Projektpartner Technische Universität München, Universität Paderborn, Humboldt-Universität zu Berlin, Freie Universität Berlin, Universität des Saarlandes, Ferdinand-Braun-Institut Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, DLR - Institut für optische Sensorsysteme und Q.ant GmbH das Konzept eines integrierten photonischen One-Way-Quantencomputers basierend auf der „Lithiumniobat on Insulator“ Materialplattform. Ein solches One-Way-System arbeitet mit einem anfangs vorliegenden verschränkten Quantenzustand. Die eigentliche Rechnung wird durch Messungen an diesem Zustand durchgeführt. Dieser Prozess ist nicht umkehrbar – deshalb „One-Way“.

Technologischer Ansatz: Atomfallen

Das Projekt QRydDemo (01.02.2021 - 31.01.2025) der Universitäten Stuttgart und Ulm sowie der TOPTICA Photonics AG will herausarbeiten, wie Rydbergatome in einer zweidimensionalen optischen Fallenstruktur gruppiert werden können und wie mit gezielter Verschränkung und Verschiebung der Atome die effiziente Durchführung der Grundschritte von Berechnungen – der sogenannten logischen Operationen – gelingen kann. Dabei soll die sogenannte Kohärenzzeit gegenüber dem Stand der Technik um drei Größenordnungen verbessert werden.

Ziel des Projekts FermiQP (01.08.2021 - 31.07.2025) ist die Entwicklung eines leistungsfähigen Demonstrators für analoge Quantensimulation und digitales Quantenrechnen. Dazu ist in Deutschland langjährige Erfahrung zur Quantensimulation mit ultrakalten Atomen vorhanden. Projektpartner sind die Eberhard Karls Universität Tübingen, das Max-Planck-Institut für Quantenoptik, die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Freie Universität Berlin, das Forschungszentrum Jülich, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie die TOPTICA Photonics AG.

Technologischer Ansatz: Ionenfallen

Das Projekt MIQRO (01.05.2021 - 30.04.2025) entwickelt einen Quantencomputer, der nach einem Baukastenprinzip aus „Quanten-Kernen“ zusammengesetzt wird. Diese Kerne verwenden „Fallen“, in denen Ionen mittels elektrischer und magnetischer Felder festgehalten werden, als Quantenbits. Mittels Hochfrequenz (HF)-Wellen werden in den Quanten‐Kernen die Grundschritte von Berechnungen – die logischen Operationen – kontrolliert. Beteiligt sind die Universität Siegen, die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und Leibniz Universität Hannover sowie die QUARTIQ GmbH.

Ebenfalls mit Ionenfallen arbeitet das Projekt IQuAn (01.01.2021 - 31.12.2024) der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, der Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF und für Lasertechnik ILT, des Forschungszentrums Jülich, der TOPTICA Photonics AG sowie der AKKA DSW GmbH. Dabei wird ein neuer, skalierbarer Ansatz mit hoher Qubit-Konnektivität verfolgt: Die individuelle optische Adressierung in kleinen Registern wird kombiniert mit der Kopplung und der dynamischen Konfiguration mehrerer Register durch Bewegen und Umgruppieren der Ionen.

Technologischer Ansatz: Supraleiter

Der Ansatz des Projekts DAQC (01.02.2021 - 31.01.2025) ergänzt die Flexibilität von digitalen Schaltkreisen mit der Robustheit analoger Rechenblöcke. Ziel sind die Herstellung und der kontinuierliche Betrieb eines digital‐analogen Quantencomputers sowie der dazugehörigen Kalibrier‐ und Steuertechnik. Projektpartner sind IQM Germany, die Infineon Technologies AG, das Forschungszentrum Jülich, das Leibniz-Rechenzentrum LRZ der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, die Freie Universität Berlin sowie die Parity Quantum Computing GmbH als assoziierter Partner.

Die Partner im Projekt GEQCOS (01.02.2021 - 31.01.2025) verfolgen einen neuen Ansatz zur Kopplung von Qubits auf Basis supraleitender Schaltkreise. Dies soll effiziente Operationen mit mehreren Qubits ermöglichen und die Kohärenzzeit erhöhen, um umfangreichere Quantenoperationen als bisher zu ermöglichen. Beteiligt sind das Walther-Meissner-Institut für Tieftemperaturforschung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, die Infineon Technologies AG, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, das Forschungszentrum Jülich sowie das Karlsruher Institut für Technologie KIT.

Technologischer Ansatz: Halbleiter

Ziel des Projekts QUASAR (01.02.2021 - 31.01.2025) ist die Implementierung und Demonstration einer Mikroarchitektur unter Überwindung bisheriger geometrischer Skalierungsgrenzen auf Quantenebene mit in Deutschland verfügbarer Halbleitertechnologie. Als technologische Basis dazu dienen Si/SiGe-Quantentöpfe, für die die Reproduzierbarkeit von Qubits bereits gezeigt wurde. In diesen Quantentöpfen – speziellen Halbleiterstrukturen im Nanometerbereich – wird die Quanteninformation durch den Spin von Elektronen getragen. Projektpartner sind das Forschungszentrum Jülich, die Universitäten Konstanz und Regensburg, die Fraunhofer-Institute für Angewandte Festkörperphysik IAF und für Photonische Mikrosysteme IPMS sowie die Unternehmen HQS Quantum Simulations GmbH, IPH GmbH und Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG.