Ionenfallen Quantencomputer Innovationszentrum Hamburg
Auftragnehmer

Ziel

Wir bauen einen vollständig skalierbaren Quantencomputer auf Ionenfallen-Basis, der vier Quantencomputer-Module miteinander vernetzt.

Ein Weg zu Quantencomputern mit Millionen von Qubits besteht darin, einen Grundbaustein zu entwickeln, der alle wesentlichen Quantenoperationen ausführen kann und dann viele solcher Module miteinander zu vernetzen. Nach dieser Methode werden wir für die DLR Quantencomputing-Initiative einen vollständig skalierbaren Quantencomputer mit gefangenen Ionen bauen, der vier Quantencomputer-Module miteinander vernetzt. Diese Chipmodule basieren auf Silizium-Halbleiter-Chiptechnologie und werden im QCI-Projekt Toccata solo genutzt. Zunächst werden wir Module mit mindestens zehn Qubits entwickelt und mindestens zwei Module miteinander vernetzen. Allerdings ist das Design so ausgelegt, dass es auch mehr als 25 Qubits aufnehmen und auf ein vernetztes System mit mindestens 100 Qubits skaliert werden kann. Die Module verbinden wir dazu mithilfe elektrischer Feldverbindungen mit ausreichender Leistungsspezifikationen für fehlertolerantes Quantencomputing.

Motivation

Da ein einzelner Ionenfallen-Wafer höchstens ein paar hundert Qubits enthalten kann, ist die Modularität von Quantencomputern entscheidend, um Ionenfallen-Quantencomputer mit Millionen von Qubits zu realisieren. Die Verbindung von einzelnen Quantencomputermodulen wird dabei häufig als eines der größten Probleme beschrieben. Unsere Lösung dafür ist UQConnect: Dazu bauen wir elektrische Feldverbindungen zwischen benachbarten Modulen auf, bei – im Vergleich zu anderen Ansätzen – wesentlich schnelleren Verbindungsgeschwindigkeiten und einfacherer Technik. Und trotzdem erreichen wir damit eine ausreichende Leistungsspezifikationen für fehlertolerantes Quantencomputing. Dadurch wird eine Skalierung hin zur Ausführung von Quantengattern in Quantencomputern mit Millionen von Qubits möglich.

Herausforderung

Das Problem der Vernetzung lösen wir durch elektrische Feldverbindungen zwischen benachbarten Quantencomputer-Modulen. Wir nennen diesen Ansatz UQConnect. Er ermöglicht Verbindungsgeschwindigkeiten, die im Vergleich zu anderen Methoden um Größenordnungen schneller sind. Und trotzdem kommt er mit wesentlich einfacherer Technik aus. So konnten wir bei einer experimentellen Demonstration von UQConnect den kohärenten Transport eines Qubits zwischen zwei benachbarten Modulen mit einer Verbindungsrate von 2424/s und einer Übertragungstreue von 99,999993 % realisieren. Bei der Ausführung von Quantengattern nutzen wir unsere Global-Field-Technologie. Ihr Vorteil: Die Anzahl der benötigten Mikrowellenfelder bleibt gleich, auch wenn die Zahl der Qubits erhöht wird. Und während in vielen anderen Quantencomputeransätzen der Chip fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt werden muss, funktioniert unsere Technik mit milder Kühlung bei ungefähr -200 °C, was den Aufbau und die Zuverlässigkeit des System deutlich erhöht.



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