Bald werkeln die ersten Ionenfallen-Rechner der DLR Quantencomputing-Initiative

Auftragsvergabe in Höhe von 208,5 Millionen Euro Bald werkeln die ersten Ionenfallen-Rechner der DLR Quantencomputing-Initiative

03.11.2022 Von Ulrike Ostler |

Anbieter zum Thema

DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

NXP Semiconductors Germany GmbH

NXP Semiconductors

Schneider Electric GmbH

mehr weniger

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat fünf Aufträge für Entwicklungen im Bereich Ionenfallen-basiertes Quantencomputing Aufträge mit einem Gesamtvolumen von 208 Millionen Euro vergeben. Die Zukunftsrechner sollen Innovationen in den Bereichen Energie, Automobil, Finanzen, Behörden, Luft- und Raumfahrt sowie anderen kritischen Infrastrukturen ermöglichen.

Chips auf Silizium-Wafer: In zwei Projekten entstehen modulare, skalierbare Quantencomputer auf Ionenfallen-Basis. Mehrere Chips werden dabei zu einer universellen Quantencomputer-Architektur vernetzt.
(Bild: Universal Quantum Deutschland GmbH)

Die Aufträge erfolgen im Rahmen der Quantencomputing-Initiative des DLR. Für die Initiative stellt das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) insgesamt 740 Millionen Euro zur Verfügung. Davon werden 80 Prozent, also rund 600 Millionen Euro für Vergabe von Forschungs- und Entwicklungsaufträgen an Unternehmen für verschiedene Varianten von Quantencomputern eingesetzt, die restlichen Mittel fließen in die Eigenforschung des DLR.

Noch gibt es keine kommerziellen Quantencomputer; doch steht schon jetzt fest, dass sie Daten wesentlich schneller verarbeiten können als klassische Computer. Dadurch wird es möglich, komplexe Probleme, die heute unlösbar sind, anzugehen und die Bewältigung aktueller gesellschaftlicher Herausforderungen zu unterstützen.

Quantencomputer kommen beispielsweise bei der Berechnung von Wetter- und Klimamodellen zum Einsatz, bei der beschleunigten Entwicklung von Medikamenten und Impfstoffen, bei Modellrechnungen für Mobilität und Logistik, bei der Verbesserung der Cyber-Sicherheit und in vielen anderen Bereichen. Diese komplexen Rechner entwickeln sich zwar schnell weiter, aber ihre Herstellung ist nach wie vor schwierig. Sie erfordert ein hohes Maß an Fachwissen, und der Weg zur Serienreife und zur breiten Verfügbarkeit ist noch lang.

Die Partner

NXP Semiconductors verfügt über langjährige Erfahrung in der Skalierung und Miniaturisierung von physikalischen Anwendungen, die für die industrielle Fertigung von chipbasierten Detektionslogiken und Sensortechnologien erforderlich sind. Mit diesem Erfahrungshintergrund wird NXP die Steuerelektronik bereitstellen, die für die Einbettung von Quantencomputern in klassische Rechenumgebungen erforderlich ist, sowie mit kryogenisch geeignetem Packaging und Photonendetektion zu dem Auslesen von Quantenzuständen beitragen.

Eleqtron GmbH ist ein 2020 gegründetes Spin-off aus dem Lehrstuhl für Quantenoptik der Universität Siegen. Es entwickelt, produziert, betreibt und vermarktet Rechenzeit auf Ionenfallen-basierten Quantencomputern. Es handelt sich damit um den ersten deutschen Quantencomputerhersteller, welcher derzeit sukzessiv leistungsstärkere Quantencomputer aufbaut und diese an die Cloud anbindet. Dank firmeneigener Technologie beseitigt das Unternehmen die Notwendigkeit von Laserlicht für Quantenlogikoperationen und ebnet somit einen klaren Weg zur Skalierung.

Parityqc ist das weltweit einzige Quantenarchitektur Unternehmen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von Bauplänen und Betriebssystem für Quantencomputer. Das Unternhemen ist global tätig und arbeitet mit Hardware Partnern auf der ganzen Welt zusammen, um gemeinsam Quantencomputer für Anwendungen zu bauen, die vom universellen, fehlerkorrigierten Quantencomputing bis hin zur Lösung von Optimierungsproblemen auf NISQ Geräten reichen.

Qudora Technologies GmbH (Braunschweig) ist ein Deep Tech Spin-off der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), Technischen Universität Braunschweig sowie der Leibniz Universität Hannover und Teil des Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) Ökosystems. Das Start-up entwickelt Quantencomputer auf Basis der Ionenfallen-Technologie, bei denen Rechenoperationen mittels in den Quantenprozessor integrierter Mikrowellenbauelemente ausgeführt werden.

Universal Quantum Deutschland GmbH (Düsseldorf) hat eine modulare Architektur für Quantencomputer entwickelt. Die auf Ionenfallen basierenden elektronischen Quantencomputermodule werden mit der verfügbaren Siliziumtechnologie hergestellt. Die einzelnen Module werden dann mit einer von Universal Quantum entwickelten Technologie zu einer Architektur verbunden, die skaliert werden kann.

Die Partner

Zusammen mit Chipfabrikant NXP Semiconductors Germany wollen Eleqtron, Parity Quantum Computing Germany, Qudora Technologies und Universal Quantum Deutschland innerhalb von vier Jahren prototypische Quantencomputer auf der Basis von Ionenfallen bauen. Mit im Boot ist zudem die Technische Universität Hamburg.

Aus einer Ionenfalle können geladene Atome nicht entwischen: Ein elektromagnetisches Feld hält sie in ihrer Position. Ein Laser sowie Radio- oder Mikrowellen können den Zustand der geladenen Atome (Ionen) dann gezielt verändern. So werden sie zu Qubits, den Rechenbausteinen von Quantencomputern.

Karla Loida, Projektleiterin in der Quantencomputing-Initiative, führt aus: „Systeme mit Ionenfallen erlauben universelle Rechenoperationen. Sie sind nicht auf die Lösung bestimmter Aufgaben festgelegt.“

Zu den weiteren Vorteilen zählt sie: „Die Qubits sind vergleichsweise stabil und die Gattergüten sind hoch – eine wichtige Voraussetzung für den Bau hochqualitativer Quantencomputer. Durch die Integration auf Mikrochips und innovative Chipdesigns wird jetzt auch die Skalierbarkeit greifbar.“

Quantenprozessor mit Ionenfallen-Technologie: Das Bild zeigt einen Drei-Zoll-Wafer mit mikrofabrizierten Quantenprozessoren auf Basis der Ionenfallen-Technologie.
(Bild: Qudora Technologies GmbH)

Zudem seien die Technologien, die zum Bau erforderlich sind, schon ausgereift: So sind etwa Lasersysteme für die nötige Kühlung verfügbar. (Eine gezielte Manipulation von Qubits funktioniert mithilfe von Lasern, Mikro- oder Radiowellen.) Zudem habe sich die Integration auf Mikrochips bewährt.

Die geplanten Schritte

Professor Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR, erläutert: „Für die Realisierung von Qubits auf Basis von Ionenfallen vergibt das DLR Aufträge für fünf Projekte im Rahmen seiner Quantencomputing-Initiative. [...] Damit gehen wir einen weiteren Schritt in Richtung eines programmierbaren, fehlertoleranten Quantencomputers.“ Darüber hinaus entstünden durch die enge Zusammenarbeit von Wirtschaft und Wissenschaft Synergien, „die das Ökosystem Quantencomputing stärken und damit auch Start-ups neue Möglichkeiten eröffnen.“

Die sukzessive Entwicklung der Systeme läuft in mehreren Phasen, wie Robert Axmann, Leiter der DLR Quantencomputing-Initiative, ausführt: „Zum Ende der Projekte werden Quantencomputer basierend auf Ionenfallen-Technologie mit mindestens 50 Qubits bereitstehen. Gleichzeitig werden modulare Systeme aufgebaut, die erweiterbar Richtung tausender Qubits sind“

Die Firmen und deren Mitarbeitende nutzen zukünftig Büros, Labore und einen Reinraum im DLR-Innovationszentrum in Hamburg. Dort und im DLR-Innovationszentrum in Ulm können die Unternehmen auch von der unmittelbaren Nähe zu den DLR-Instituten sowie Arbeitsgruppen und der gemeinsamen Arbeit an den Herausforderungen des Quantencomputing, profitieren, führt Axmann aus: „Das akademische und wirtschaftliche Umfeld in unseren Innovationszentren ist optimal zur Weiterentwicklung.“

Das Bild zeigt das Herzstück eines Quantencomputers – Vakuumkammer mit Ionenspeicher. Die Ionen im Ionenspeicher werden mit Hochfrequenztechnik gesteuert.
(Bild: Qudora Technologies GmbH)

Generell gibt es unterschiedliche Konzepte für die Entwicklung von Quantencomputern. Noch ist unklar, welches Konzept sich letztlich durchsetzen wird. Das DLR unterstützt parallel verschiedene Technologieansätze und bringt die eigenen Fähigkeiten und Fragestellungen in Forschung und Entwicklung ein.

So sollen im Rahmen der DLR Quantencomputing-Initiative innerhalb der nächsten vier Jahre prototypische Quantencomputer unterschiedlicher Architekturen gebaut, sowie die damit verbundenen Technologien und Anwendungen entwickelt werden.

Der Demonstrator

In einem ersten Projekt liefern NXP Semiconductors Germany (Hamburg) und Eleqtron (Siegen) sowie Parity Quantum Computing Germany (München) als Konsortium einen Demonstrator mit zehn Qubits. Der Betriebsbeginn ist für Ende 2023 geplant. Dieser soll hauptsächlich dazu dienen, dass Anwender und Anwenderinnen können Erfahrungen mit Ionenfallen-Systemen sammeln und die Entwicklung voranbringen können.

Jetzt Newsletter abonnieren

Täglich die wichtigsten Infos zu RZ- und Server-Technik

Geschäftliche E-Mail

Bitte geben Sie eine gültige E-Mailadresse ein.

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Stand vom 30.10.2020

Es ist für uns eine Selbstverständlichkeit, dass wir verantwortungsvoll mit Ihren personenbezogenen Daten umgehen. Sofern wir personenbezogene Daten von Ihnen erheben, verarbeiten wir diese unter Beachtung der geltenden Datenschutzvorschriften. Detaillierte Informationen finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Einwilligung in die Verwendung von Daten zu Werbezwecken

Ich bin damit einverstanden, dass die Vogel IT-Medien GmbH, Max-Josef-Metzger-Straße 21, 86157 Augsburg, einschließlich aller mit ihr im Sinne der §§ 15 ff. AktG verbundenen Unternehmen (im weiteren: Vogel Communications Group) meine E-Mail-Adresse für die Zusendung von redaktionellen Newslettern nutzt. Auflistungen der jeweils zugehörigen Unternehmen können hier abgerufen werden.

Der Newsletterinhalt erstreckt sich dabei auf Produkte und Dienstleistungen aller zuvor genannten Unternehmen, darunter beispielsweise Fachzeitschriften und Fachbücher, Veranstaltungen und Messen sowie veranstaltungsbezogene Produkte und Dienstleistungen, Print- und Digital-Mediaangebote und Services wie weitere (redaktionelle) Newsletter, Gewinnspiele, Lead-Kampagnen, Marktforschung im Online- und Offline-Bereich, fachspezifische Webportale und E-Learning-Angebote. Wenn auch meine persönliche Telefonnummer erhoben wurde, darf diese für die Unterbreitung von Angeboten der vorgenannten Produkte und Dienstleistungen der vorgenannten Unternehmen und Marktforschung genutzt werden.

Falls ich im Internet auf Portalen der Vogel Communications Group einschließlich deren mit ihr im Sinne der §§ 15 ff. AktG verbundenen Unternehmen geschützte Inhalte abrufe, muss ich mich mit weiteren Daten für den Zugang zu diesen Inhalten registrieren. Im Gegenzug für diesen gebührenlosen Zugang zu redaktionellen Inhalten dürfen meine Daten im Sinne dieser Einwilligung für die hier genannten Zwecke verwendet werden.

Recht auf Widerruf

Mir ist bewusst, dass ich diese Einwilligung jederzeit für die Zukunft widerrufen kann. Durch meinen Widerruf wird die Rechtmäßigkeit der aufgrund meiner Einwilligung bis zum Widerruf erfolgten Verarbeitung nicht berührt. Um meinen Widerruf zu erklären, kann ich als eine Möglichkeit das unter https://support.vogel.de abrufbare Kontaktformular nutzen. Sofern ich einzelne von mir abonnierte Newsletter nicht mehr erhalten möchte, kann ich darüber hinaus auch den am Ende eines Newsletters eingebundenen Abmeldelink anklicken. Weitere Informationen zu meinem Widerrufsrecht und dessen Ausübung sowie zu den Folgen meines Widerrufs finde ich in der Datenschutzerklärung, Abschnitt Redaktionelle Newsletter.

Zwei Projekte beinhalten den Bau von prototypischen Quantencomputern mit mindestens 50 voll funktionsfähigen Qubits auf einem Chip. Universal Quantum Deutschland (Düsseldorf) und das Konsortium Qudora Technologies (Braunschweig), NXP Semiconductors Germany entwickeln jeweils eigene Systeme.

Der Chip ist skalierbar, die Anzahl der Qubits und die Rechenleistung lassen sich also erhöhen. Die Fehleranfälligkeit gilt als eine der größten Herausforderungen beim Quantencomputing. Daher liegt ein Fokus darauf, dass der Chip perspektivisch fehlerkorrigierbar ist.

In zwei weiteren Projekten entstehen modulare, skalierbare Quantencomputer auf Ionenfallen-Basis. Mehrere Chips werden dabei zu einer universellen Quantencomputer-Architektur vernetzt. Das Besondere: Jedes Modul ist ein eigener kleiner Quantenprozessor mit jeweils zehn Qubits. Diese Struktur soll später auf viele Chips mit tausenden von Qubits wachsen.