Quantencomputer von eleQtron

Mit Quantencomputern lassen sich mathematische Probleme lösen, die konventionellen Computern für immer verschlossen bleiben werden. Mit jedem Qubit verdoppelt sich die Anzahl parallel durchführbarer Operationen. Dies wird es in Zukunft erlauben, bisher praktisch unlösbare Probleme effizient anzugehen.

Ein Quantencomputer rechnet mit Qubits. Im Gegensatz zu den Bits eines konventionellen Computers kann ein Qubit gleichzeitig Kombinationen (Superpositionen) aus den Werten 1 und 0 annehmen. Damit ist beim Rechnen eine parallele Verarbeitung verschiedener Eingaben möglich – es können sozusagen mehrere mögliche Lösungen zeitgleich ausprobiert werden. Das macht Quantencomputer so viel schneller und effizienter als klassische Rechner und selbst Supercomputer.

Als Quanten bezeichnet man die kleinstmögliche Einheit einer physikalischen Größe. Sie ist nicht weiter teilbar. Ein Beispiel für Quanten sind die Photonen oder auch Lichtteilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht.

Quantenbits oder Qubits sind die kleinste Recheneinheit eines Quantencomputers – so wie die Bits bei einem konventionellen Computer. Der Unterschied: Quantenbits können die Zustände 0 und 1 gleichzeitig annehmen.

Quantengatter sind die elementaren Rechenoperationen eines Quantencomputers. Es handelt sich dabei nicht um physikalische Bauteile, sondern um zeitlich steuerbare Interaktionen der Qubits miteinander oder mit ihrer Umgebung. Die Qualität dieser Gatteroperationen lässt sich mit unserer MAGIC-Technologie signifikant steigern.

Die Anwendungsmöglichkeiten von Quantencomputern sind vielfältig. Sie reichen von Fragen der Grundlagenforschung, wie etwa der Simulation großer Quantensysteme, bis zu Problemstellungen aus Logistik, Finanzwesen, Chemie oder dem maschinellen Lernen.

Qubits sind extrem empfindlich. Damit sie stabil genug sind, um Berechnungen durchführen zu können, müssen sie gegen äußere Einflüsse abgeschirmt und Wechselwirkungen ausgeschlossen werden. Dazu sind aufwendige Verfahren nötig, die die Qubits bis zum absoluten Nullpunkt, auf -273,15 °C, herunterkühlen. Durch unsere MAGIC-Technologie lässt sich dies erheblich vereinfachen.

Funktionierende Rechner mit bis zu Dutzenden Qubits existieren bereits – und können erste spezielle Testprobleme lösen, für die klassische Rechner sehr viel länger bräuchten. Bis ein völlig frei programmierbarer Quantencomputer für industrielle Anwendungen interessant wird, ist aber noch einiges zu tun: Die Zahl der Qubits und insbesondere die Qualität der Gatteroperationen, also der einfachsten Rechenschritte, müssen erhöht werden.

Spezielle Probleme, die sowohl wissenschaftlich als auch kommerziell interessant sind, können bereits jetzt von sogenannten NISQs in Angriff genommen werden. NISQs (Noisy Intermediate Scale Quantum Computer) sind Rechner mit eingeschränkter Qubit-Zahl und Rechengüte. Die Konzeption und Erforschung von NISQs mit industrierelevanter Leistungsfähigkeit ist bereits in vollem Gange und erlaubt die Entwicklung der Technik, wie sie für universelle Quantenrechner notwendig sein wird.

Ein funktionierender Demonstrator unserer MAGIC-Technologie wird bereits betrieben und dessen Softwarearchitektur derzeit weiter perfektioniert. In den kommenden Jahren wird unsere erste Produktlinie MAGIC Ruby als Quantencomputer der NISQ-Ära mit bis zu 60 Qubits online gehen. Daneben bauen wir sukzessive immer leistungsstärkere Quantencomputer und binden diese an die Cloud an. Unser Ziel ist es, 2030 einen skalierbaren, frei programmierbaren Quantencomputer auf den Markt zu bringen.

Adressierung: Qubits gezielt steuern, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen – das ist eine wesentliche Anforderung an jeden Quantencomputer. Mit MAGIC gelingt dies besser als mit jeder anderen Plattform.

CNOT: Mit unser MAGIC-Kopplung konnten wir ein elementares Mehr-Qubit-Gatter zwischen beliebigen Ionen in einem Register demonstrieren. Die erreichte Fidelity liegt mittlerweile bei 98 % und ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber thermischen Anregungen der Ionen.

Qubit-Recast: Unsere Qubits lassen sich durch Hochfrequenz-Pulse blitzschnell von Speicher-Qubits in Prozessor-Qubits umwandeln – und wieder zurück.

Transport: Wir konnten den nahezu perfekten Erhalt von Quanteninformation beim Ionentransport zeigen. Ein Ion wurde dabei über 20 Millionen Mal über insgesamt 5 km bewegt.

Kompaktifizierung: Wir haben einen Chip-Carrier für ein kompaktes Vakuumkonzept entwickelt. Dieser wird sowohl für Grundlagenforschung und Quanteninformation, als auch für transportable Ionenuhren verwendet.

Chip-Integration: Wir haben Ionenfallenchips mit integrierten miniaturisierten Magnetfeldspulen für einstellbare MAGIC-Wechselwirkung und Antennen für HF-Felder entwickelt.

Konnektivität: Die hohe Konnektivität in Quantenregistern haben wir genutzt, um eine effizientere Form der Quanten-Fourier-Transformation zu implementieren.

Flexibilität: Wir haben gezeigt, wie man Wechselwirkungen zwischen Qubits skalieren und einstellen kann. So lassen sich Clusterzustände oder eine langreichweitige Kopplung effektiv erzeugen.

MAGIC Learning: Durch die Implementierung von Quanten-Reinforcement-Learning konnten wir die verbesserte Effizienz gegenüber klassischen Algorithmen zeigen.