Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben gemeinsam mit den Partnern des Großprojekts QSolid, zu denen auch das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS gehört, den Prototypen eines Quantencomputers erfolgreich in die Juniq-Infrastruktur des Jülich Supercomputing Centres integriert. Für das Fraunhofer IPMS als aktiven Projektpartner stellt dieser Fortschritt einen bedeutenden Meilenstein auf dem Weg zu einem leistungsfähigen und vertrauenswürdigen deutschen Quanten-Ökosystem dar.
Zweiwöchige Testphase
Bereits nach etwa 3,5 Jahren Projektlaufzeit konnte der Prototyp eines systemintegrierten Quantencomputers des QSolid-Konsortiums ab dem 17. November für eine erste zweiwöchige Testlaufphase von externen Nutzern verwendet werden. „Es ist eine herausragende Teamleistung, das wir ausgehend von der vom Chip aufwärts am Forschungszentrum Jülich hergestellten Hardware einen vollständigen Prototypen entwickeln konnten – und das zusätzlich zu einem weiteren, der im Januar erscheinen wird. Die Rückmeldungen unserer ersten Nutzer werden nun entscheidend sein, um den Quantencomputer weiter zu optimieren“, erläutert Prof. Dr. Frank Wilhelm-Mauch, der Koordinator des Projekts.
Wie die Forschenden berichten, ist der Computer während der Testphase cloudbasiert über die Plattform JuDoor zugänglich. Seine aktuelle Leistungsfähigkeit beträgt zehn Qubits. Mit der Bezeichnung ‚Qubit‘ (Kurzform von Quantenbit) wird in Anlehnung an die herkömmlichen Bits eines klassischen Computers die grundlegende Recheneinheit der Quantenmechanik bezeichnet.
Erfolgreiche Systemintegration
Die Entwicklung und Integration des Software Stacks, einer Sammlung von Funktionskomponenten einer Software, ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Forschungsinstituten und industriellen Partnern. „Auf dem Weg von einem Physik-Experiment zu einem vollständigen Prototypen müssen wir immer die Kompatibilität und das Zusammenspiel der Teile im Auge behalten – das wird sonst in der Forschung gerne unterschätzt“, sagt Dr. Paolo Bianco, Leiter des System-Engineering-Teams am Forschungszentrum Jülich.
Das Fraunhofer IPMS leistet im QSolid-Projekt einen wichtigen Beitrag für die Entwicklung zukünftiger Generationen von Quantenprozessoren. Dazu gehört zum einen die kryogene Charakterisierung von CMOS-Schaltungen in Zusammenarbeit mit Globalfoundries. Zum anderen arbeitet das Institut gemeinsam mit dem Fraunhofer IZM-ASSID als Teil des Fraunhofer Centers for Advanced CMOS and Heterointegration Saxony (CEASAX) an kryogenen Advanced-Packaging-Aufbauten, bei denen Quantenchip und Kontrollchip über einen Interposer kompakt verbunden werden. Diese Arbeiten gelten als entscheidend, um die Signalübertragung bei skalierbaren Quantenprozessoren mit größeren Qubit-Zahlen effizient zu gestalten und die Basis für die nächste Generation von Quantencomputern zu schaffen.
Weiterer Testlauf
Die Industriepartner ParTec, ParityQC sowie HQS Quantum Simulations nehmen als erste Nutzer außerhalb der Infrastruktur des Forschungszentrums Jülich am zweiwöchigen Testlauf teil. Auf diese Pilotphase wird zeitnah eine weitere mit aktualisierter Software folgen. Ebenso vorgesehen ist eine zusätzliche Optimierung der Hardware: Das Team um Prof. Dr. Rami Barends (Forschungszentrum Jülich) wird den bisher verwendeten Quantenchip in Kürze durch eine noch leistungsfähigere Version ersetzen.
„Die Systemintegration ist eine Blaupause für die Entwicklung eines deutschen Quantencomputers. Sie stellt aus technischer Perspektive einen idealen Startpunkt für die Hightech Agenda Deutschland des BMFTR (Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt) dar“, so Wilhelm-Mauch.
