Leuchtturmprojekte

Das Projekt Bench-QC ist eine Kooperation zwischen Industrie- und Forschungspartnern unterschiedlicher Expertise. Ziel ist es, ein universelles Framework zu entwickeln und zu implementieren, das einen quantitativen Vergleich gesamtheitlicher Lösungsansätze industrieller Probleme mit Hilfe von Quantencomputing ermöglicht, da die praktische Nutzbarkeit von Quantencomputing-Hardware in industriellen Anwendungen stark von der Kombination aus Anwendungsfall, verwendetem Algorithmus, mathematischer Problemformulierung und gegebenen Hardwareparametern abhängt.

Auf wissenschaftlicher Seite wird Bench-QC von der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG), den Fraunhofer-Instituten für Kognitive Systeme (IKS) und für Integrierte Schaltungen (IIS) begleitet. Sie arbeiten mit verschiedenen Industriepartnern zusammen.

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Dr. Johannes Oberreuter, Machine Learning Reply GmbH

Im Rahmen des QuQuSemi-Projekts entwickelt QuantumDiamonds zusammen mit seinen Projektpartnern, dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper-Technologien (EMFT) und der Technischen Universität Münchens  (TUM), ein hochauflösendes Mikroskop, das auf Stickstoff-Vakanzen in Diamanten basiert. Dieses Mikroskop ermöglicht die Messung kleinster Temperaturdifferenzen und Magnetfelder unter normalen Umgebungsbedingungen. 

Angesichts der zunehmenden Integration von Schaltungen in komplexen Multichipmodulen und der Stromversorgung von der Chiprückseite aus, stellt die Lokalisierung von Fehlern mit herkömmlichen Methoden eine nahezu unlösbare Aufgabe dar. Das angestrebte Mikroskop im Rahmen des Projekts soll diese Lücke schließen, indem es aufgrund seiner Fähigkeit, Temperatur und Magnetfelder hochauflösend abzubilden, die Fehleranalyse für die nächste Generation von Chips ermöglicht.

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Dr. Fleming Bruckmaier, Quantum Diamonds

Das Leuchtturmprojekt " Free-electron states as ultrafast probes for qubit dynamics in solid-state platforms" zielt auf die Entwicklung eines Prototyps eines ultraschnellen Transmissionselektronenmikroskops (UTEM) zur Untersuchung der Quantendynamik von singulären Qubits ab. Ziel der Wissenschaftler:innen ist es, die ultraschnelle Elektronenmikroskopie als eine der grundlegenden Charakterisierungstechniken für die zukünftige Quantenindustrie zu etablieren.

Das Projekt wird von der Universität Regensburg durchgeführt.

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Prof. Dr. Ferdinand Evers, Universität Regensburg

Prof. Dr. Sascha Schäfer, Universität Regensburg

Ziel des HESC-Projekts ist die Entwicklung neuer Techniken zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Quanteninformationsverarbeitung. Quantencomputer besitzen ein immenses Potenzial, die Lösung bestimmter Probleme zu beschleunigen. Sie sind jedoch auch fehleranfällig. Quantenfehlerkorrekturcodes schützen Quanteninformation vor Fehlern, indem sie viele unzuverlässige physikalische Qubits auf wenige zuverlässige logische Qubits abbilden. Im Rahmen von HESC werden neue Quantenfehlerkorrekturcodes aus der Familie der Stabilisatorcodes und die zugehörigen Decodierungsalgorithmen untersucht.

Das Projekt wird vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation durchgeführt.

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Dr. Francisco Lázaro, German Aerospace Center (DLR)

Hochpräzise Lasersysteme spielen eine entscheidende Rolle bei der Suche nach neuen Quanteneffekten und bei der Kontrolle von Quantensystemen. Um eine hohe Güte der einzelnen Operationen und Messungen zu erreichen, müssen gängige Rauschquellen effektiv und robust unterdrückt werden. Qlock untersucht neuartige Ansätze zur Laserstabilisierung, die grundlegende Vorteile gegenüber State-of-the-Art-Systemen zur Zeitmessung bzw. Frequenzstabilisierung aufweisen. Drei parallele Entwicklungspfade stehen im Fokus:

1. Robuste, kryogene optische Faserresonatoren zur Überwindung technischer und fundamentaler Stabilitätsgrenzen.
2. Chip-basierte Quantensysteme als Frequenzreferenz, die das Volumen und die Vibrationssensitivität erheblich reduzieren.
3. Quantenuhr auf Basis von wasserstoffartigen Heliumionen, die das SI-Einheitensystem modernisieren könnte.

State-of-the-Art-Systeme sollen dabei in Genauigkeit, Kompaktheit, Robustheit und Berechenbarkeit übertroffen werden. 

Qlock wird unter der Führung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Verbund mit der Technischen Universität München (TUM) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) bearbeitet.

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Dr. Andreas Hänsel, DLR

Der Schwerpunkt von TeQSiC liegt auf der Entwicklung einer zuverlässigen und skalierbaren Toolbox für die Festkörper-Quantentechnologie auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC). SiC ist eine erprobte Materialplattform, insbesondere für leistungselektronische Bauelemente, und verfügt über hervorragende Quanteneigenschaften. In SiC ist es möglich, definierte Punktdefekte - so genannte Farbzentren - zu erzeugen, die in Quantenbauelementen als Quantenbits (Qubits) dienen können. Die Kombination aus Photonik und Material- bzw. Halbleiterprozesstechnologien bietet die Möglichkeit, vollständige und skalierbare Quantenbauelemente herzustellen. Quantenphotonisch integrierte Festkörperbauelemente, die mit der etablierten Mikroelektronik kompatibel sind, könnten den Weg für den Einsatz von Quantentechnologien in einem breiten Anwendungsspektrum ebnen.
TeQSiC ist eine Kooperation zwischen dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB und dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen.

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Dr. Patrick Berwian, Fraunhofer IISB

Ziel von IQ-Sense ist es, integrierte Quantensensoren zu entwickeln und zu erproben, die die derzeitigen Sensoren in Bezug auf ihre Präzision übertreffen. Das Projekt verbindet Forschende aus den Naturwissenschaften mit Wissenschaftler:innen aus dem Bereich der Lebenswissenschaften und der Medizin, um Quantensysteme für die Detektion verschiedener Messgrößen maßzuschneidern und Sensoren mit bisher unerreichter Empfindlichkeit zu realisieren. Die Anwendungsszenarien für solche Sensoren sind vielfältig, insbesondere in den Lebenswissenschaften.

IQ-Sense ist ein Gemeinschaftsprojekt von Forschenden der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), des Walther-Meißner-Instituts (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW) und der Technischen Universität München (TUM).

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Prof. Dr. Vladimir Dyakonov, Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Im Rahmen des Projekts KID-QC^2 werden das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS und seine Partner Universität Augsburg Künstliche Intelligenz (KI) nutzen, um den Entwurf von Quantenschaltungen für quantenchemische Berechnungen sowohl zu automatisieren als auch anwendungsspezifisch und hardwareplattformengerecht zu optimieren. Ausgangspunkt sind dabei so genannte "Molecular Quantum Circuits", eine kürzlich entwickelte, hochstrukturierte Klasse von Quantum Circuits für quantenchemische Anwendungen. Ziel ist es, mit Hilfe von KI 1) die Struktur von Molecular Quantum Circuits weiter zu optimieren, insbesondere im Hinblick auf Expressivität und Laufzeit, 2) Molecular Quantum Circuits skalierbar und damit auf größere Probleminstanzen anwendbar zu machen, 3) die Übertragbarkeit von Optimierungsstrategien für den Schaltkreisentwurf zwischen verschiedenen Probleminstanzen zu gewährleisten, 4) die Realisierbarkeit von Molecular Quantum Circuits im Hinblick auf bestehende und zukünftige Hardwareplattformen zu verbessern. Durch den Einsatz flexibler KI-Methoden und die Konzentration auf gezielte strukturelle Verbesserungen werden die Quantum Circuits nicht nur für künftige Generationen von Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) Geräten optimiert. Vielmehr wird erwartet, dass die entwickelten Methoden und generierten Schaltungen auf frühe fehlertolerante und fehlerkorrigierte Quanten-Hardware übertragbar sind und den Weg für eine optimierte Nutzung einer begrenzten Anzahl logischer Qubits ebnen können für Anwendungen der Quantenchemie ebnen.

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Dr. Daniel Scherer, Fraunhofer IIS

Prof. Jakob S. Kottmann, Universität Augsburg

In diesem gemeinsamen Projekt wollen die Forschenden verschiedene Quantensysteme miteinander verbinden, um das Endziel der Vernetzung von Quantencomputern und Quantensensoren zu einem Quanteninternet zu erreichen. In einem ersten Schritt entwickeln sie eine Schnittstelle für die verschiedenen Quantenplattformen, um Quanteninformationen auf einzelne Lichtteilchen zu übertragen. Anschließend können diese Lichtteilchen über optische Fasern ausgetauscht werden, um verschiedene Systeme miteinander zu verbinden.

Im NeQuS-Projekt arbeiten Wissenschaftler:innen der Technischen Universität München (TUM), der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ), des Walther-Meißner-Instituts (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW) und des Walter Schottky Instituts (WSI) zusammen.

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Prof. Dr. Jonathan Finley, Walter Schottky Institut

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Dr. Armin Klumpp, Fraunhofer EMFT

Das Projekt QuKomIn hat zum Ziel, eine reale Testinfrastruktur für die Quantenkommunikation aufzubauen, um eine sichere Kommunikation in der Zukunft zu gewährleisten. Die Infrastruktur soll in Form eines hybriden Glasfasernetzes mit Satellitenanbindung und Anwendungslabors in den Räumen Erlangen/Nürnberg und München/Oberpfaffenhofen realisiert werden.

Die Leitung des Projekts liegt beim Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Es arbeitet mit Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS), des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Ludwig-Maximilians-Universität München zusammen.

Kontakt / Links

Prof. Dr. Gerd Leuchs, Max Planck Institute für die Physik des Lichts

Prof. Dr. Christoph Marquardt, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

https://qukomin.bayern/

Im Projekt " Quantum circuits with spin qubits and hybrid Josephson junctions" arbeiten Experimental- und Theorieforscher:innen gemeinsam daran, verschiedene Arten von Qubit-Schaltungen zu verbinden, um deren spezifische Vorteile zu nutzen und sie in einen kompakten elektronischen Chip zu integrieren. Ihre Arbeit ist eine Voraussetzung für den Bau zukünftiger Quantencomputer, die auf Halbleiter-Spin-Qubits und supraleitenden Qubits basieren.

Die Universität Regensburg (UR) arbeitet in dem Projekt mit vier Forschungsgruppen zusammen.

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Prof. Dr. Dominique Bougeard, Universität Regensburg

Prof. Dr. Christoph Strunk, Universität Regensburg

Mit interdisziplinärer Forschung an der Schnittstelle zwischen Physik und Elektrotechnik befassen sich die Wissenschaftler:innen des QuMeCo-Projekts mit der Herausforderung, einzelne Quantenobjekte zu kontrollieren, ohne die fragile quantenmechanische Kohärenz zu stören. Ihr Ziel ist es, ultraschnelle Photodetektoren und Quellen für einzelne verschränkte Photonen zu entwickeln sowie die Quantenkontrolle mit Hilfe von maschinellem Lernen zu untersuchen.  

QuMeCo ist ein Projekt der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

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Prof. Christopher Eichler, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg