Quantencomputer sollen künftig Aufgaben lösen, die für heutige Supercomputer zu komplex sind. Die neuartigen Rechner könnten zum Beispiel riesige Datenmengen enorm schnell durchsuchen, sie könnten Verkehrsnetze oder Produktionsabläufe in Fabriken optimieren und chemische Prozesse vorhersagen, um die schnelle Entwicklung von neuen Wirkstoffen für Arzneimittel oder neuen Batterien zu ermöglichen. Doch bis es soweit ist, gilt es noch viel zu erforschen.
In Jülich arbeiten wir daran, die Vision Wirklichkeit werden zu lassen, sei es in der Grundlagenforschung, in der Theorie oder in der Technologieentwicklung. Das reicht von der Suche nach geeigneten Quantenmaterialien über das Design von Schaltkreisen und geeigneter Kryoelektronik bis hin zur Entwicklung von Prototypen und Anwendungen.
Forschung in Jülich
Die Jülicher Forscher:innen verfolgen unterschiedliche Ansätze, um Qubits, die Recheneinheiten von Quantencomputern, zu realisieren. Gemeinsam mit Partnern entwickeln sie Rechner sowohl mit supraleitenden Qubits als auch mit Halbleiterqubits. Und sie forschen an weiteren Alternativen wie sogenannten Hybrid-Qubits. Das Erforschen verschiedener Ansätze ist wichtig, da sich derzeit noch nicht sagen lässt, welche Technologie sich am Ende durchsetzen wird.
Eine weitere Herausforderung: Heutige Qubits sind anfällig für Störungen, weshalb es häufig zu Rechenfehlern kommt. Jülicher Forscher:innen beschäftigen sich daher auch mit der Fehlerkorrektur und forschen an Qubits mit einer geringen Fehlerrate. Darüber hinaus entwickeln sie sogenannte Kryo-Elektronik zur Steuerung von Qubits bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius, der Betriebstemperatur vieler Qubittypen.
Für die Forschung an Quantencomputern bietet Jülich ideale Bedingungen. Hier arbeiten zahlreiche Expert:innen für verschiedene Ansätze und Aufgaben eng zusammen. Sie koordinieren oder beteiligen sich an nationalen und europäischen Vorhaben, in denen Projektpartner aus Wissenschaft und Wirtschaft verschiedene Quantensysteme aufbauen.
Das europäische Quantencomputer-Projekt OpenSuperQPlus bringt 28 Forschungspartner aus 10 europäischen Ländern zusammen, um einen Quantencomputer mit 1000 Qubits zu entwickeln. Die Koordination des Projekts liegt beim Forschungszentrum Jülich. Ähnlich wie das Vorgängerprojekt OpenSuperQ verfolgt OpenSuperQPlus das Ziel, einen vielseitig einsetzbaren Quantencomputer in Europa zu realisieren. Erste Anwendungen werden insbesondere in der Quantensimulation für die chemische Industrie und die Materialwissenschaften erwartet. Darüber hinaus soll der Quantencomputer auch bei der Lösung von Optimierungsproblemen und maschinellem Lernen eingesetzt werden.
Blick in den Quantenrechner des Projekts OpenSuperQplus. Copyright: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau
Im Rahmen des Großprojekts QSolid hat das Forschungszentrum Jülich gemeinsam mit seinen Partnern den ersten Prototyp eines Quantencomputers mit verbesserter Qubit-Qualität in Betrieb genommen. Dieser Prototyp stellt die Grundlage für einen zukünftigen, in Deutschland entwickelten Quantencomputer dar, der auf supraleitenden Qubits basiert und in der Lage ist, anspruchsvolle Berechnungen für die Forschung und Industrie zu lösen. Das System soll in den kommenden Jahren ausgebaut und in JUNIQ, die JUelicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing, integriert werden.
Zugang zu verschiedenen Quantensystemen mit JUNIQ
JUNIQ verschafft Forschenden und Industriepartnern einen europaweiten, offenen Zugang zu verschiedenen Quantensystemen. Das Angebot umfasst neben den experimentellen Systemen aus den wegweisenden Projekten QSolid und OpenSuperQPlus auch kommerzielle Systeme wie den Quantenannealer der Firma D-Wave oder den Quantensimulator des Start-ups Pasqal. Zum Angebot gehören zudem leistungsstarke Quanten-Emulatoren, mit denen Forschende Quantencomputer auf klassischen Supercomputern simulieren können.
Neue Technologien können Quantencomputer noch leistungsfähiger machen und sie weiter in die Anwendung bringen. Zur Unterstützung 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 liegt zudem der Reinraum Helmholtz Nano Facility (HNF), in dem Quantenbauteile und Computerchips hergestellt werden.
Das Forschungszentrum Jülich zeigt auch, wie wissenschaftliche Exzellenz und unternehmerischer Geist im Bereich Quantencomputing zusammenwirken können. In den letzten Jahren sind aus diesem Bereich mehrere Start-ups hervorgegangen, darunter Qruise und ARQUE Systems.
Beteiligte Einrichtungen & Projekte
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Headerbild: Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau