Projekt | Universität Paderborn

Überblick

Erst wenn ausreichend viele Quantenteilchen verschaltet werden, können Quantencomputer Aufgaben bewältigen, die für klassische Rechner unlösbar sind. Hier liegt – neben weiteren Alleinstellungsmerkmalen – ein wesentlicher Vorteil photonischer Plattformen: Integrierte Architekturen und ausgefeilte Fertigungsverfahren bieten ein enormes Skalierungspotenzial. Ziel des Verbundprojektes PhoQuant ist die Entwicklung eines rein photonischen Quantencomputers, basierend auf Gaussian Boson Sampling (GBS), mit mindestens 20 (nach 2,5 Jahren) bzw. 100 (nach 5 Jahren) individuell ansteuerbaren Kanälen. Neben der Entwicklung eines programmierbaren GBS QC Demonstrators mit anwendungsrelevanten Algorithmen steht die Implementierung eines Benutzer Interfaces als Schnittstelle für industrielle und akademische Anwender im Vordergrund.

Im Teilvorhaben Quantencomputing Testplattform (PhoQuant-QCTest) werden essenzielle Komponenten, u. a. eine optimierte integrierte Quetschlichtquelle und Funktionalitäten wie kohärente Verschiebungen und Homodyndetektion, und Algorithmen für den Demonstrator entwickelt. Ferner wird eine experimentelle Testplattform zur Verfügung gestellt, auf der die entwickelten Komponenten und Algorithmen unter realistischen Bedingungen getestet werden können, bevor sie in den Demonstrator überführt werden. Auch die von Projektpartnern entwickelten Bauteile auf Basis des neuen Materialsystems Dünnschichtlithiumnobiat (engl.: lithium niobate on insulator, LNOI) werden mit Hilfe der Testplattform evaluiert. Neue und bekannte GBS QC Algorithmen werden mittels informationstheoretischer Komplexitätsuntersuchungen verifiziert.

Sieben Arbeitsgruppen des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) mit komplementären Expertisen führen das Teilprojekt PhoQuant-QCTest durch.

Das Verbundprojekt PhoQuant wird über die Laufzeit vom 01.01.2022 bis 31.12.2026 gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vereint die Fachkenntnisse von 14 Partnern aus Akademie und Industrie.

Motivation

Quantencomputer versprechen Probleme zu lösen, die durch klassische Rechner nicht mit akzeptabler Rechenzeit zugänglich sind. Dies gilt z.B. bei der Entwicklung neuer Werkstoffe, der Batteriezellenentwicklung oder der Optimierung komplexer logistischer Systeme. Erst bei ausreichender hoher Vernetzung vieler Recheneinheiten (Qubits) in einem System kann eine höhere Rechengeschwindigkeit gegenüber klassischen Computern erzielt werden. Gerade bei dieser Skalierung bietet der photonische Ansatz, der Lichtteilchen (Photonen) als Qubits verwendet, enorme Vorteile. Denn die für die Rechenoperationen benötigten Funktionen können auf einem einzigen Chip mittels ausgereifter Halbleiter-Fertigungsverfahren hergestellt werden.

Ziele und Vorgehen

Das Projektziel ist es, einen Vorteil für die Berechnung von industrierelevanten Anwendungen bereitzustellen. Ein erstes Beispiel ist die Echtzeitoptimierung von Ablaufplänen an Flughäfen bei unvorhergesehener Verspätung. Hierfür entwickelt das Konsortium, bestehend aus universitärer Forschung, Start-Ups und Industrie, eine neue photonische Rechnerarchitektur, welche im Laufe des Projektes einen Quantencomputer mit bis zu 100 Qubits ermöglicht. Die integrierte (monolithische) Aufbauweise dieser Architektur kombiniert mit deren skalierbarer Herstellung - basierend auf etablierten Fertigungsprozessen aus der Halbleiterindustrie - verspricht eine schnelle Weiterentwicklung weiter über die 100 Qubits im Anschluss an dieses Projekt. Zugeschnitten auf diese neue Architektur werden im Laufe des Projektes sowohl optimierte Algorithmen für spezielle Problemstellungen, als auch Algorithmen für das universelle Quantencomputing entwickelt und per Cloud Anbindung für die Öffentlichkeit bereitgestellt.

Innovation und Perspektiven

Neueste Studien aus 2021 prognostizieren ein Umsatzvolumen von 150 Mrd. Euro mit Quantencomputing-Hardware und einen zusätzlichen gesamtwirtschaftliche Nutzen von 200 Mrd. Euro. Die Förderung dieser Entwicklung bietet die Chance, Deutschland einen Wettbewerbsvorteil auf diesem hoch attraktiven Feld des Quantenrechnens zu verschaffen.