Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

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Forschungsberichte: Technologien für Quantencomputer

Neueste Entwicklungen für Quantencomputer am Fraunhofer IOF

Das Fraunhofer IOF bietet im Bereich Quantenhardware eine breite Palette an Komponenten und Systeme an. Darüber hinaus entwickeln unsere Expertinnen und Experten im Auftrag unserer Kunden aus Wirtschaft und Forschung neue maßgeschneiderte Komponenten und Systeme. Unser Angebot umfasst das Design bis hin zur Integration innovativer quantenoptischer Lösungen für die Anwendungsbereiche Computing, Kommunikation, Bildgebung und Sensorik.

 

Weitere Informationen finden Sie unter:

Hardware für Quantentechnologien

Nachfolgend finden Sie Wissenswertes und Forschungsberichte zu unseren neuesten Entwicklungen rund um Quantencomputer:

Laserbasierte Adressieroptik für eine Ionenfalle des Quantencomputers.
© Fraunhofer IOF
Laserbasierte Adressieroptik für eine Ionenfalle des Quantencomputers der nächsten Generation, der im Rahmen vom Projekt AQTION entwickelt wird.

Interessant zu wissen

Was ist ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer ist ein Prozessor, der – im Gegensatz zu einem klassischen Computer – auf den Wechselwirkungen quantenmechanischer Zustände basiert.

Konventionelle Computer nutzen Bits als kleinstmögliche Speichereinheiten. Quantencomputer arbeiten hingegen mit sogenannten »QuBits« oder auch »Quantenbits«.

Anwendungsfelder: u. a. Pharmazieforschung, Kommunikationssicherheit, Logistik- inkl. Verkehrsoptimierung, Materialoptimierung, Simulation für Naturwissenschaften

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Ein Quantencomputer nutzt sogenannte »Quanteneffekte« für mehr Rechenleistung. Ein solcher Effekt kann zum Beispiel die Verschränkung von Photonen sein. Diese Verschränkung erlaubt zum einen, dass das »digitale Denken« des Computers, das klassischerweise auf zwei Zuständen beschränkt ist – nämlich Null und Eins –, um ein Konzept kontinuierlicher Funktionen erweitert wird. Das bedeutet, dass die QuBits – im Gegensatz zu Bits – mehrere Zustände (mehr als Null und Eins) zur gleichen Zeit annehmen können.

Zum anderen steigt die Rechenkapazität exponentiell mit der Anzahl der QuBits an. Quantencomputer schaffen damit die Möglichkeit, Lösungen für Probleme zu finden, die uns heute noch unlösbar erscheinen.

© IBM

News

Der erste Quantencomputer Deutschlands steht in Baden-Württemberg. Fraunhofer und IBM haben ihn 2021 der Öffentlichkeit vorgestellt. Der Quantencomputer steht Unternehmen und Forschungsorganisationen zur Verfügung, um Quantenalgorithmen zu entwickeln sowie Know-how aufzubauen.

Unsere Technologie für einen Schritt in die Zukunft:  

Adressieroptik für ionen- und atomfallen-basierte Quantencomputer

Detailaufnahme der Adressieroptik für Quantenrechner.
© Fraunhofer IOF
Detailaufnahme der laserbasierten Adressieroptik für eine Ionenfalle des Quantencomputers der nächsten Generation der im Rahmen von AQTION entwickelt wird.

Realisierung eines skalierbaren Quantencomputers

Im Projekt »Advanced quantum computing with trapped ions« (AQTION), einem Bestandteil des Quanten-Flaggschiff-Programms der EU, wurde ein skalierbarer ionenfallen-basierter Quantencomputer realisiert. Dieser wurde an der Universität Innsbruck, dem Konsortialführer des AQTION-Verbunds, aufgebaut und eingesetzt.

Auf lange Sicht ist im Rahmen des AQTION-Verbundes Großes geplant: Das Ziel der Projektpartner besteht darin, einen leistungsstarken industrietauglichen Quantenrechner aufzubauen und die angewandte Forschung zu Quantencomputing in Deutschland maßgebend voranzubringen.

Laboraufbau von der Adressieroptik.
© Fraunhofer IOF
Abb. 1: Laboraufbau von der Adressieroptik.

Quantenrechner auf Ionen basierend

Der im Forschungsprojekt AQTION entwickelte Quantenrechner basiert auf sogenannten »Ionen-QuBits«. Das System nutzt gespeicherte Ionen als QuBits, die in elektromagnetischen Fallen gehalten und innerhalb dieser mit Laserstrahlen kontrolliert werden können. Am Fraunhofer IOF wurde hierfür ein laseroptischer Aufbau realisiert, der die Manipulation von Ionen in der Ionenfalle für Quantencomputer ermöglicht.

 

Zustand der Ionen manipulieren und messen

In diesem Quantenrechner werden die Quantenbits durch in einer Ionenfalle gefangene Ca+-Ionen repräsentiert. Zur Präparation der Quantenzustände und zur Bewerkstelligung der Rechenoperationen auf dem Quantengatter wird Laserlicht verschiedener Wellenlängen eingesetzt. Dazu werden u. a. Einzelionen mit einem Adressierstrahl mit der Wellenlänge 729 nm beleuchtet (Abb. 3). Das Ergebnis der Rechenoperationen wird anhand des Zustands der Ionen, die in der Falle als lineare Kette angeordnet sind, »ausgelesen«. Der Zustand des Ions zum Zeitpunkt der Messung ergibt sich daraus, ob bei dieser ein Fluoreszenzsignal erzeugt wird oder nicht.

Konstruktionszeichnung 19"-Rack mit Ionenfalle und gefalteter Adressieroptik.
© Fraunhofer IOF
Abb. 2: Konstruktionszeichnung 19"-Rack mit Ionenfalle und gefalteter Adressieroptik.

Akkurate Adressierung der Ionen

Für die zuverlässige Adressierung der Ionen, die in der Fallenmitte einen Abstand von etwa 3 μm haben, sind beugungsbegrenzte Spots der Adressierstrahlen notwendig, die zudem in der Richtung der Fallenachse mit Submikrometergenauigkeit nachführbar sein müssen. Dazu wurde eine optomechanische Einheit entwickelt, bei der in einer Anordnung von Festkörpergelenken Piezosteller Mikroprismen bewegen. Damit wird aus einer starren Anordnung von eingangsseitigen Fasern eine dynamisch regelbare Anordnung von Quellen. Die weitere Optik sorgt einerseits für die notwendige Verkleinerung der eingangsseitigen Quellabstände auf den Ionenabstand und andererseits für die notwendigen Spotgrößen in der Fallenebene. Neben einem Spezialobjektiv, das für die Wellenlängen des Adressierstrahls und der Fluoreszenzdetektion korrigiert ist, kommen Gradientenindexlinsen sowie Achromate zum Einsatz.

Visualisierung des Optikaufbaus der Adressiereinheit für einen Quantencomputer.
© Fraunhofer IOF
Abb.. 3: Visualisierung des Optikaufbaus der Adressiereinheit für einen Quantencomputer.

Miniaturisierung des Systems

Um die Optik (Abb. 3) kompakt gestalten und in den Gesamtaufbau integrieren zu können, muss der optische Weg mehrfach gefaltet werden (Abb. 1 bzw. Abb. 2). Um einen – für das als Patentanmeldung eingereichte Funktionsprinzip notwendigen – Parabolspiegel mit optimaler Brennweite verwenden zu können, wird dieser mittels Ultrapräzisionsbearbeitung am Fraunhofer IOF gefertigt.

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Autorenschaft

Bernd Höfer, Felix Kraze, Peter Schreiber, Christoph Wächter, Uwe Zeitner

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