Quantencomputer für die Industrie Der kleinste Quantencomputer der Welt passt in 19-Zoll-Racks

Redakteur: Kristin Rinortner

Bisher füllten Quantencomputer ganze Labore. Jetzt haben Physiker der Universität Innsbruck einen Prototypen eines Quantencomputers mit einer Rechenleistung von 24 Qubits gebaut, der in der Industrie eingesetzt werden kann. Er passt in zwei 19-Zoll-Racks.

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Mini-Quantencomputer mit 24 Qubits: Der kompakte Quantencomputer passt in zwei 19-Zoll-Racks.
Mini-Quantencomputer mit 24 Qubits: Der kompakte Quantencomputer passt in zwei 19-Zoll-Racks.
(Bild: Universität Innsbruck)

Von Quantencomputern versprechen sich Anwender erhebliche Geschwindigkeitssteigerungen im Vergleich zu den leistungsfähigsten klassischen Computern. Es gibt bereits viele Prototypen von Quantencomputern, die über die Rechenkapazität klassischer Computer hinausgehen. Jüngstes Beispiel ist IBMs „Q System One“ mit einer Rechenleistung von 27 Quantenbits (Qubits).

Mit Quantencomputern lassen sich zum Beispiel kritische Sicherheitsinfrastrukturen stabilisieren, bessere Algorithmen für die industrielle Fertigung entwickeln sowie Batterie- und Brennstoffzellen besser modellieren. Am IBM-Rechner in Ehningen sollen die deutschen Firmen aber erst einmal den Umgang mit der neuen Rechenhardware und -Software lernen.

Kompakte Quantencomputer für die Industrie

Neben einer besseren Rechenleistung ist der Übergang von Machbarkeitsstudien aus dem Labor zu robusten, integrierten Quantencomputern mit gleichbleibender Rechenleistung ein wichtiger Entwicklungsschritt.

Das ist Wissenschaftlern der Gruppe von Iwan Pogorelow von der Universität Innsbruck gelungen. Sie haben einen kompakten Quantencomputer gebaut, der in zwei 19-Zoll-Server-Racks passt (jeweils 1,7 m3).

Die Leistung des Quantenrechners ist laut Team Pogorelow vergleichbar mit ähnlichen Versionen aus dem Labormaßstab und könnte zu einem Gerät mit einer Rechenleistung bis zu 50 Qubits führen, das auch von geschulten Laien bedient werden kann.

Der Ansatz der Innsbrucker hatte zum Ziel, eine stark integrierte Hardwarelösung zu entwickeln, die mit Industriestandards kompatibel ist und nur eine minimalen Wartungsaufwand erfordert. Dies erreichen die Wissenschaftler unter anderem durch Modularisierung und austauschbare Teile ähnlich wie bei klassischen Serversystemen.

Rekord: 24 Qubits in einem (19-Zoll-) System

Der Rechner basiert auf Fallen (Traps), mit denen Stränge bis zu 50 Ionen gesteuert werden können. Er besteht aus einem „optischen“ und einem „Trap“-Teil. Das modulare System ist in stabilen Aluminiumboxen untergebracht, die in zwei 19-Zoll-Racks übereinander gestapelt werden.

Die Module des „optischen“ Racks enthalten Geräte, mit denen der Laserstrahl erzeugt und gesteuert bzw. geleitet und geschaltet wird. Die Module des „Trap“-Racks enthalten die Haupt-Ionenfalle, elektrische Komponenten zur Manipulation der Qubits in den Ionen sowie Komponenten für die Kommunikation und Fernsteuerung.

Der Quantencomputer-Demonstrator basiert auf einzelnen geladenen Kalzium-Atomen, die in einer Ionenfalle (lineare Pauli-Falle) gespeichert und mit Lasern manipuliert werden. Das Gerät benötigt nur eine Stromversorgung (Steckdose) ist ansonsten autark.

Die Forscher erzielten mit der Ionenfalle einen vollständig verschränkten Zustand von „24-Qubit-GHz“ – das ist der größte vollständig verschränkte Zustand, der bisher in einem System erreicht wurde.

Mini-Quantencomputer: Wie gelang die Miniaturisierung?

Die einzelnen Bausteine des ersten kompakten Quantencomputers der Welt mussten deutlich verkleinert werden. So nimmt das Herzstück des Quantencomputers, die in einer Vakuumkammer installierte Ionenfalle, nur noch einen Bruchteil des bisher benötigten Platzes ein.

Sie wurde den Forschern von Alpine Quantum Technologies (AQT) zur Verfügung gestellt, einem Spin-off der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, das den Bau eines kommerziellen Quantencomputers anstrebt. Weitere Komponenten steuerten das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena und der Laserspezialist TOPTICA Photonics in München bei.

Mit ihrem Demonstrator zeigen die Wissenschaftler, dass eine Verkleinerung von typischen Laboraufbauten nicht auf Kosten der Leistung gehen muss. Erzeugen konnten sie maximal verschränkte Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustände mit bis zu 24 Ionen ohne den Einsatz von Nachselektions- oder Fehlerminderungstechniken.

Nach einer weiteren Verbesserung bei Hardware und Software des Demonstrators soll die Plattform für den Cloud-Zugang geöffnet werden, um Quantenalgorithmen auf einer mittelgroßen, hardwareunabhängigen Quantencomputersprache zu programmieren.

Kompakter Quantencomputer: Bis zu 50 Quantenbits im Jahr 2022

Eine besondere Herausforderung bestand darin, die Stabilität des miniaturisierten Quantencomputers zu gewährleisten. Quantengeräte sind sehr empfindlich und werden im Labor sehr aufwändig vor Störungen geschützt. Erstaunlicherweise gelang es dem Innsbrucker Team, diesen Qualitätsstandard auch auf das kompakte Gerät anzuwenden und so einen sicheren und unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten.

Entscheidend für den industriellen Einsatz eines Quantencomputers ist neben der Stabilität auch die Anzahl der verfügbaren Quantenbits. So hat sich die österreichische Bundesregierung in ihrer jüngsten Förderkampagne zum Ziel gesetzt, zunächst Demonstratoren-Quantencomputer zu bauen, die über 24 voll funktionsfähige Qubits verfügen. Dieses Ziel haben die Innsbrucker Quantenphysiker bereits erreicht.

„Bis zum nächsten Jahr wollen wir ein Gerät mit bis zu 50 einzeln steuerbaren Quantenbits zur Verfügung stellen“, blickt Thomas Monz vom Team der Universität Innsbruck und Ko-Gründer von AQT in einem Interview mit IEEE Spectrum bereits in die Zukunft.

Finanziell unterstützt wird das Projekt unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Forschungsförderungsgesellschaft FFG, der Europäischen Union und der Industrievereinigung Tirol.

Originalveröffentlichung in PRX Quantum: A compact ion-trap quantum computing demonstrator. I. Pogorelov, T. Feldker, Ch. D. Marciniak, L. Postler, G. Jacob, O. Kriegelsteiner, V. Podlesnic, M. Meth, V. Negnevitsky, M. Stadler, B. Höfer, C. Wächter, K. Lakhmanskiy, R. Blatt, P. Schindler, and T. Monz. PRX Quantum 2, 020343

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