Von Bit zu Qubit
BMBF fördert Forschung zu Quantenprozessoren an der UR
16. Februar 2021
Katzenbilder gehen immer: Kennen Sie diese physikalische Theorie mit der Katze? Im einen Moment ist sie ganz sicher mausetot, im nächsten dann jedoch quicklebendig. Und angeblich irgendwie jederzeit auch beides gleichzeitig! Jedoch nur… solange Schrödinger nicht nach ihr schaut. Genau, die Quantenmechanik. Die Unterscheidung zwischen "tot" und "lebendig" beschreibt auch gut, wie unser digitales Leben in Maschinen umgesetzt wird: Unsere smarten Geräte prozessieren enorme Datenmengen in Form von teils endlosen Aneinanderreihungen binärer Informations-Bits: 1 - Katze lebt, 0 - Katze tot. Diese beiden Zustände sind in der heutigen (klassischen) Technologie jederzeit klar definiert und können deshalb nur der Reihe nach, stoisch, Bit für Bit verarbeitet werden. Wenn nun aber gemäß Schrödinger die Informationen "Katze lebt" und "Katze tot" zu jedem Zeitpunkt der Datenverarbeitung gleichzeitig, überlagert, vorlägen? Könnten wir diese Informationen dann in Form eines quantenmechanischen Bits – des Qubits – gleichzeitig statt der Reihe nach verarbeiten? Prinzipiell sollten in derartigen Überlagerungen in der Tat mehrere Zustandswerte parallel gespeichert und auch prozessiert werden können. Aber welches Ergebnis erhalten wir beim Auslesen dieser Überlagerungen, also wenn Schrödinger nach der Katze schaut? Hier liegt tatsächlich der Clou, der ausmacht, ob sogenanntes Quantencomputing ein Luftschloss oder eine Revolution darstellt.
In diesem Zusammenhang unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Teilvorhaben "Charakterisierung von Qubits und Quantenprozessoren" der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Dominique Bougeard an der UR mit 1,2 Millionen Euro im Rahmen der Fördermaßnahme "Quantenprozessoren und Technologien für Quantencomputer". Das Vorhaben der UR wird im Projektverbund "Halbleiter-Quantenprozessor mit shuttlingbasierter skalierbarer Architektur" (QUASAR) mit sieben weiteren Partnern durchgeführt. Der Verbund, der am 18. Februar 2021 zu einem virtuellen Kick-off-Meeting zusammentrifft, wird vom BMBF mit knapp 8 Millionen Euro, zunächst über eine Laufzeit von vier Jahren, gefördert.
Doch warum fällt im Zusammenhang mit Quantencomputing seit etwa drei Jahren häufig der Begriff "disruptive Technologie"? Obwohl es Computer nicht generell verbessern wird, wurden in den vergangenen 35 Jahren theoretisch mehrere Computing-Problemklassen identifiziert, in denen die Informationsverarbeitung mit Qubits signifikant schneller als mit klassischen Bits ablaufen sollte. Spannend ist nun, dass damit genau Bereiche adressiert werden, in denen klassisches Computing aufgrund riesiger Datenmengen heutzutage an grundsätzliche Grenzen stößt: Big Data, künstliche Intelligenz, Kryptographie und Quantensimulationen. Komplexere Moleküle und Festkörper deutlich realitätsgetreuer als derzeit möglich quantenmechanisch modellieren zu können, würde beispielsweise der Materialforschung, der Biotechnologie und auch der Medikamentenforschung völlig neue Perspektiven und Entwicklungsfelder eröffnen.
Beispiel einer in der AG Bougeard hergestellten, etwa 300 Nanometer breiten 2-Qubit-Zelle und eines Testchips für Spinqubits in Silizium (gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Projekt 289786932). Grafik: AG Bougeard
Das Feld des Quantencomputing ist aktuell mit dem klassischen Computing in den 1960er und 70er Jahren vergleichbar: Um das enorme Potential umzusetzen, muss zunächst eine Hardware erfunden werden – möglichst mit einer technologischen Vision, um Prozessoren kontinuierlich mit einer wachsenden Zahl an Qubits weiter zu entwickeln. Idealerweise bis zu mehreren Millionen. Aufgrund der extremen Empfindlichkeit quantenmechanischer Systeme und der Größenskalen, auf denen gearbeitet wird (100 Milliardstel eines Meters), stehen noch keine industriellen Prozesse für Quantenprozessoren zur Verfügung und der Betrieb derartiger Prozessoren bedarf erheblicher Beiträge der Grundlagenforschung. Tatsächlich ist noch nicht einmal absehbar, welche Materialien das beste Gesamtpaket für den Bau eines Quantencomputers bieten werden. Die aktuell ausgereiftesten Prototypen, mit 50 bis 80 Qubits, wurden beispielsweise kürzlich mit sogenannten supraleitenden Qubits demonstriert. Deren Skalierung hin zu deutlich größeren Qubitzahlen ist jedoch ungeklärt. Der BMBF-Verbund QUASAR verfolgt ein anderes, äußerst vielversprechendes Konzept: sogenannte Spinqubits in Halbleitern. Unter direkter Einbindung der Halbleiterindustrie soll eine Mikroarchitektur ohne geometrische Skalierungsgrenzen auf der Quantenebene implementiert und demonstriert werden. Innerhalb des Verbundes sind alle Stufen des Entwicklungsprozesses, von der Materialherstellung bis hin zur Demonstration der Prozessorfunktionalität, eng verzahnt. Die Gruppe um Professor Bougeard an der UR wird ihre langjährige Expertise in der Herstellung und Implementierung von Spinqubits in Silizium, in Kooperation mit Forschungszentrum Jülich, insbesondere in der Manipulation und Validierung dieser neuartigen Quantenprozessorchips einbringen. Die weiteren Partner im Verbund sind Infineon Dresden Technologies, HQS Quantum Simulations, IHP, die Universität Konstanz, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik und das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung.
