ATIQ - Quantencomputer mit gefangenen Ionen für die unterschiedlichsten Anwendungen

Mit der wachsenden Menge an digitalen Daten und komplexen Berechnungen stoßen die heutigen Computer an die Grenzen ihrer Rechenleistung. Im Gegensatz dazu können Quantencomputer, bei denen einzelne Qubits Informationen darstellen, ähnliche Aufgaben effizient erledigen. Zu den Anwendungen für diese Quantencomputer gehören die Quantenchemie, Optimierungsprobleme, Simulationen oder auch die Zuordnung von Kreditrisikozuweisungen. Um einen Qubit zu erstellen, werden supraleitende Bauelemente, Fehler in Kristallstrukturen oder isoliert gehaltene Atome oder Ionen benötigt.

In diesem Projekt wird mit Ionenfallen gearbeitet, in denen die Ionen mit kurzen Laserimpulsen bestrahlt werden, um die gespeicherte Information gezielt zu verändern. Die Quantenprozessoren mit eingefangenen Ionen haben den Vorteil, dass sie über eine durchgängige Konnektivität (also gute Verbindung zu weiteren Bauteilen), sowie Gatteroperationen und Kohärenzzeiten mit höchster Zuverlässigkeit bereitstellen.

Im Rahmen von ATIQ sollen zuverlässige komplementäre Quantencomputer-Demonstratoren mit eingefangenen Ionen für relevante Anwendungsfälle entwickelt werden. Prinzipiell sind die heutigen Prozessorarchitekturen mit eingefangenen Ionen skalierbar, um die für die Lösung solcher Probleme erforderliche Anzahl von Qubits zu erhalten. Allerdings gibt es noch drei große technologische Herausforderungen, die ATIQ angehen wird:

Ausrichtungsfreie optische Vorbereitung, Manipulation und Auslesung
Echtzeitsteuerung und Automatisierung
zuverlässige Fallen-integrierte kryogene Elektronik und zuverlässige Fallentechnologie

Zusammen mit einer Hardware-Software-Co-Design-Strategie, die darauf abzielt, die Algorithmen und Compiler auf die Eigenschaften der NISQ-Hardware zuzuschneiden und die Hardware-Architektur für bestimmte Algorithmen zu optimieren, wird ATIQ die QC-Demonstratoren zur Verfügung stellen, um relevante Anwendungen anzugehen.

Um dies zu erreichen, bildet ATIQ eine Zusammenarbeit zwischen führenden industriellen Anwendern, weltbekannten akademischen Quantencomputer-Integratoren, die auf den Entwicklungen laufender Projekte aufbauen, sowie industriellen Entwicklern von Schlüsseltechnologien. Dadurch sollen die Quantenprozessor-Demonstratoren mit einem technologischen Reifegrad realisiert werden, der einen zuverlässigen 24/7-Betrieb in einer industrierelevanten Umgebung ermöglicht.

Die mit mikrotechnologischen Verfahren hergestellten Ionenfallen werden die gemeinsame Grundlage der Quantenprozessor-Topologien bilden. Diese sollen dann mit kommerziell verfügbaren und neu entwickelten Teilkomponenten kombiniert werden, um eine erste Generation von drei komplementären NISQ-Demonstratoren mit 10 Qubits herzustellen. Diese Qubits sollen 24/7-Benutzerzugänglichkeit und >99% Genauigkeit im All-to-All-Gate-Betrieb, einschließlich hybrider Rechenfähigkeiten durch eine Verbindung zu HPC bereitstellen. Parallel dazu soll ATIQ die Integration der Qubit-Steuerung in die Ionenfallen entwickeln, um eine zuverlässige und skalierbare Architektur für Dutzende bis Hunderte von Qubits zu erreichen, wie sie für umfangreiche Anwendungen erforderlich ist. Dazu gehören On-Chip-Digital-Analog-Wandler, elektronische Komponenten, Lichtwellenleiter und integrierte mikrooptische Systeme für die Vorbereitung, Initialisierung, Kühlung und Auslesung optischer Qubits und schließlich adressierbare Qubit-Operationen auf Chipebene. Zu diesem Zweck soll ATIQ skalierbare mehrschichtige Multi-Chip-Module entwickeln, die die zuverlässige Integration aller erforderlichen Funktionen ermöglichen.

Ein weiteres Ziel des Konsortiums ist es, ein vollständiges ionenbasiertes Quantencomputer-System in Deutschland zu etablieren. Dazu gehört die Bildung einer Lieferkette für Schlüsseltechnologien sowie die eventuelle Gründung von Start-up-Unternehmen aus den beteiligten Universitätsinstituten, die als zukünftige kommerzielle Systemintegratoren diese Technologie auf den Markt bringen.

ATIQ wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Projektseite des BMBF.

Leiter des Konsortiums:
Prof. Dr. Christian Ospelkaus, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Hannover, Deutschland

Projektpartner:

AMO GmbH, Aachen, Deutschland

AKKA Industry Consulting GmbH, Sindelfingen, Deutschland

Black Semiconductor GmbH, Aachen, Deutschland

Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG, Ingelheim am Rhein, Deutschland

eleQtron GmbH, Siegen, Deutschland

FiberBridge Photonics GmbH, Hannover, Deutschland

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen, Deutschland

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena, Deutschland