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Kurz und bündig
Jülich deckt im Topic „Quantum Computing“ das gesamte Spektrum der Technologieentwicklung ab – von der Theorie und Modellierung über das Entwerfen von Schaltkreisen und passender Tiefsttemperatur-Steuer-Elektronik bis hin zur Entwicklung von Prototypen und Anwendungen. Dabei arbeitet es mit dem Topic Quantum Materials zusammen und nimmt Entwicklungen aus dem Materialbereich auf.
Denn Quantencomputer versprechen in Zukunft das Rechnen grundlegend zu verändern. Sie sollen Aufgaben in Minuten lösen, welche für die derzeit schnellsten Superrechner der Welt als unlösbar gelten. Quantentechnologien der zweiten Generation wie Quantencomputer, Quantensensoren und Quantenkommunikation sollen zudem neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen – bei der Nutzung Künstlicher Intelligenz, in der Medizindiagnostik, der Optimierung von Energie- und Verkehrsnetzen oder Produktionsabläufen, der Berechnung chemischer und biologischer Prozesse oder durch eine abhörsichere Kommunikation.
Herausforderungen
Um Quantencomputer zu bauen, die konkrete Probleme lösen, müssen Millionen von Qubits gleichzeitig funktionieren. Besonders herausfordernd erweist sich dabei die Fehleranfälligkeit durch äußere Störungen und die Skalierbarkeit. Auch die technologische Infrastruktur, wie beispielsweise extrem niedrige Temperaturen für supraleitende Qubits, ist extrem anspruchsvoll.
Ein zuverlässiges Quantencomputing erfordert daher neben möglichst stablien Quantenzuständen eine extrem präzise Steuerung der Qubits. Jede kleinste Ungenauigkeit kann zu Fehlern führen, die die gesamte Berechnung zunichtemachen. Auch die Entwicklung von Algorithmen, welche die einzigartigen Fähigkeiten von Quantencomputern voll ausnutzen, ist eine Herausforderung. Sie erfordern neue Paradigmen und Methoden, die weit über das hinausgehen, was für klassische Systeme benötigt wird.
Lösungen
Der umfassende Beitrag der Jülicher Expert:innen beinhaltet alle Bereiche der Quantenforschung – von der Quantenhardware, die auf supraleitenden und Halbleiter-Qubits basiert, über die Skalierung der Prozessoren mit vielen Qubits, bis hin zu fortschrittlichen Systemelementen, wie der Kryoelektronik zur Qubit-Steuerung bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius, der Betriebstemperatur vieler festkörperbasierter Qubittypen. Interdisziplinäre Teams aus Wissenschaft und Ingenieurtechnik erstellen dabei detaillierte Gerätemodelle, die zur Hardwareoptimierung beitragen.
Ein weiterer Schwerpunkt sind die Grundlagenforschung, sowie die theoretische Physik und mathematischen Modelle, die eine große Rolle bei der Quantenfehlerkorrektur spielen. Jülicher Wissenschaftler:innen forschen an verschiedenen Fehlerkorrekturverfahren, um Quantenprozessoren vor Störungen zu schützen. Die von Jülicher Forschenden entworfene Theorie der optimalen Steuerung wird ausgebaut und experimentell angewendet.
Die neuartige Steuerungssoftware, die für das Quantencomputing notwendig ist, wird auf allen Ebenen von den Jülicher Expert:innen entwickelt, von der Kompilierung für optimale Leistung bis hin zur Entwicklung anwendungsrelevanter Quantenalgorithmen.
Auf den Jülicher Supercomputern können außerdem Quantenrechner simuliert sowie Programme getestet werden. Zukünftig sollen in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Jülich Supercomputing Centers (Programm 1) Quantenrechner mit Supercomputern zu Hybridsystemen verbunden werden. So soll die Leistung von Quantenrechnern bereits heute für erste praktische Anwendungen genutzt werden.
Aus diesem Bereich sind in den vergangenen Jahren mehrere Start-ups hervorgegangen. Darunter Qruise und ARQUE Systems, welche sich auf die Entwicklung von Firmware für Quantencomputer beziehungsweise Softwarelösungen für Quanten- und Hochleistungsrechner spezialisiert haben.
Neue Technologien können geplante Quantencomputer noch leistungsfähiger machen und sie stärker in die Anwendung bringen. Dazu werden neue themenbezogene Labore wie das Helmholtz Quantum Center (HQC) gebaut. Mit dem HQC wird Jülich über ein einzigartiges zentrales Technologiezentrum verfügen, in dem Forscher:innen gemeinsam an den unterschiedlichen Aspekten der Entwicklung arbeiten können. In direkter Nachbarschaft ist zudem der Reinraum Helmholtz Nano Facility (HNF), in dem Quantenbauteile und Chips hergestellt werden können.
Als nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft beteiligt sich das Forschungszentrum Jülich maßgeblich an der nationalen Technologieentwicklung in Großprojekten sowie auf europäischer Ebene am „Quantum Flagship“. In Projekten wie QSolid oder OpenSuperQPlus werden alle Facetten der Quantentechnologien erforscht und gemeinsam Quantencomputer in Deutschland und Europa aufgebaut.
Die Entwicklung und Erforschung von Quantencomputern wird von der Jülich Quantum Computing Alliance, kurz JUQCA, unterstützt. Sie ist Ansprechpartner:in für die Forschenden an den beteiligten Instituten sowie für interne und externe Partner.
Kontakt
Prof. Dr. David DiVincenzo
Director, Institute for Theoretical Nanoelectronics (PGI-2) and JARA Institute for Quantum Information (PGI-11)
- Peter Grünberg Institut (PGI)
- Theoretische Nanoelektronik (PGI-2)
Raum R 263
