Vor zwei Jahren haben Innsbrucker Physiker bei den Alpbacher Technologiegesprächen angekündigt, bis 2022 einen Quantencomputer zur Marktreife bringen zu wollen. Nun stellen sie im Fachjournal "PRX Quantum" den Protototyp eines industriell herstellbaren Quantencomputers vor. Dabei ist es ihnen gelungen, die Technologie, die bisher ein ganzes Labor gefüllt hat, in zwei Server-Schränke zu packen, wie sie üblicherweise in Rechenzentren verwendet werden.

Quantencomputer sollen einmal bestimmte Rechenaufgaben schneller lösen können als klassische Rechner. Dabei macht man sich in sogenannten Quantenbits (Qubits), der elementaren Informationseinheit eines Quantencomputers, verschiedene quantenphysikalische Phänomene zunutze. Solche Qubits, die als Speicher- und Recheneinheiten zugleich dienen, können auf verschiedene Weise realisiert werden. An der Universität Innsbruck, wo man seit drei Jahrzehnten an den Grundlagen für Quantencomputer forscht, konzentriert man sich auf einzelne Ionen, die durch elektromagnetische Felder im Vakuum gehalten und mit Lasern manipuliert werden können. Solche Ionenfallen gelten als vielversprechendes Grundkonzept für die Realisierung praktikabler Qubits.

Klein, aber oho

Derzeit füllen Quantencomputer-Experimente noch ein 30 bis 50 Quadratmeter großes Labor. Im Rahmen des EU-Flagship-Programmes "Quantentechnologien" haben Forscher des Instituts für Experimentalphysik in Innsbruck nun einen Demonstrator für einen kompakten Ionenfallen-Quantencomputer gebaut. Der passt in zwei 19-Zoll-Serverracks. "Uns ging es nun darum, die hier entwickelten Technologien auf kleinstmöglichem Raum unterzubringen und gleichzeitig die in der Industrie üblichen Normen und Standards zu erfüllen", erklärte Thomas Monz von der Universität Innsbruck in einer Aussendung. Mit dem neuen Gerät wollen die Wissenschafter zeigen, dass Quantencomputer schon bald für den Einsatz in Rechenzentren bereit sind.

Die einzelnen Bausteine mussten dafür erheblich verkleinert werden. So nimmt das Herzstück des Quantencomputers, die in einer Vakuumkammer eingebaute Ionenfalle, nur einen Bruchteil des bisher notwendigen Platzes ein. Sie wurde den Forschern vom Tiroler Spin-off-Unternehmen Alpine Quantum Technologies (AQT) zur Verfügung gestellt, einer Ausgründung der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zum Bau eines kommerziellen Quantencomputers. Weitere Bauteile kommen von Instituten in Deutschland.

Quantenexperimente müssen vor Störungen geschützt werden

Quantenexperimente sind äußert empfindlich gegenüber Einflüssen von Außen und werden im Labor mit Hilfe aufwändiger Maßnahmen vor Störungen geschützt. Daher war es für die Wissenschafter eine besondere Herausforderung, die Stabilität des kompakten Quantencomputers sicherzustellen. Es sei aber gelungen, auch auf dem kleinen Quantenrechner einen sicheren und unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Der Prototyp kann autark betrieben werden und soll bald auch online programmierbar sein.

Entscheidend für den industriellen Einsatz eines Quantencomputers ist die Zahl der verfügbaren Qubits. In Deutschland wurden erst vor wenigen Tagen zwei Mrd. Euro Fördermittel mit dem Ziel zur Verfügung gestellt, einen Demonstrations-Quantencomputer zu bauen, der über 24 voll funktionsfähige Qubits verfügt. Dieses Ziel haben die Innsbrucker Quantenphysiker bereits erreicht. In ihrem Demonstrator können bis zu 24 Ionen individuell kontrolliert und erfolgreich miteinander verschränkt werden. "Bis im kommenden Jahr wollen wir das Gerät mit bis zu 50 individuell ansteuerbaren Quantenbits ausstatten", so Monz.

Hinsichtlich des Ziels der Marktreife bis 2022 betonte Monz gegenüber der APA, dass alles auf Schiene sei, "das System der AQT kann bereits von Partnern per Cloud verwendet werden". Auf seiner Homepage wirbt das Uni-Spin-Off damit, "eine wachsende Anzahl von Quantencomputern" aufzustellen, die "bei Raumtemperatur in einer normalen Büroumgebung arbeiten, in Standard 19-Zoll-Racks installiert sind und über eine gewöhnliche Wandsteckdose mit Strom versorgt werden".

Service: Fachartikel: https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.020343; AQT: https://www.aqt.eu/qc-systems/