Ein Quanten-Supercomputer made in NRW

Das Forschungszentrum Jülich und das Siegener Start-up eleQtron, eine Ausgründung der Universität Siegen, bauen im Projekt EPIQ gemeinsam einen einzigartigen Superrechner. Das Land NRW investiert dafür 21 Millionen Euro.

Das Jülich Supercomputing Centre (JSC) am Forschungszentrum Jülich und das Siegener Start-up eleQtron bauen gemeinsam einen weltweit einzigartigen modularen Superrechner, der aus einem Quantenmodul und einem klassischen digitalen Modul besteht. Der Name des Projekts ist „Entwicklungspartnerschaft Ionenfallen-Quantencomputer in NRW“, oder kurz EPIQ. eleQtron entwickelt dafür einen Ionenfallen-Quantencomputer, dessen Qubits mit Hilfe einer revolutionären Mikrowellen-Steuerung rechnen, welche an der Universität Siegen erfunden wurde. Ermöglicht wird das Projekt durch die am Forschungszentrum entwickelte dynamische modulare Integrationstechnologie. Das Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen fördert EPIQ, das aus dem Netzwerk „EIN Quantum NRW“ entstanden ist, für eine Laufzeit von 4,5 Jahren mit etwa 21 Millionen Euro.

Am 25. März stellten das Forschungszentrum Jülich und eleQtron die strategische Partnerschaft im Beisein von Ministerpräsident Hendrik Wüst und Wissenschaftsministerin Ina Brandes in Siegen vor. Uni-Rektorin Prof. Dr. Stefanie Reese nahm ebenso wie Siegens Bürgermeister Steffen Mues und Prof. Dr. Christof Wunderlich, Co-Founder von eleQtron und Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Quantenoptik an der Universität Siegen vor, teil. 

In der EPIQ Entwicklungspartnerschaft soll ab Ende 2024 das eleQtron Quantencomputer-Pilotsystem mit bis zu 30 Ionenfallen-Qubits aufgebaut werden, das anschließend in die Jülicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing JUNIQ integriert wird. Ab 2025 steht es laut Plan dann Anwenderinnen und Anwendern zur Verfügung – im hybriden High-Performance- und Quantencomputing (HPC-QC) Modus.

Hendrik Wüst, Ministerpräsident des Landes Nordrhein-Westfalen: „Nordrhein-Westfalen bietet mit seiner starken Wirtschaft die besten Voraussetzungen für die Erforschung von technologischen Innovationen. Wir wollen die bedeutende Stellung beim Quantencomputing weiter ausbauen und unser Land zum Technologieführer bei Quantentechnologien machen. Die Entwicklungspartnerschaft zwischen eleQtron und dem Forschungszentrum Jülich ist hierfür ein wichtiger Schritt. Mit ihr soll bis 2027 ein Quantencomputer – entwickelt und hergestellt von Forscherinnen und Forschern aus unserem Land – zur Serienreife weiterentwickelt werden. Dieses zukunftsweisende Projekt wird maßgeblich dazu beitragen, dass unser Land weiterhin an der Spitze von Forschung und Innovation steht. Nordrhein-Westfalen ist die deutsche Zukunftsregion für die Digitalisierung.“

Ina Brandes, Ministerin für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen (MKW NRW): „Rechenleistung wird in Zukunft der entscheidende Schlüssel sein, die großen Herausforderungen der Menschheit zu meistern. Das gilt für den Kampf gegen die Volkskrankheiten genauso wie für intelligente Mobilität und ressourcenschonende Nutzung von Energie. Quantencomputing ‚made in NRW‘ gehört international zur Spitze. Das verdanken wir der beispielhaften Erfolgsgeschichte der Universität Siegen, ihrer Ausgründung mit eleQtron und der engen Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich: ein echtes Leuchtturm-Projekt für den Wissenschaftsstandort Nordrhein-Westfalen.“

Prof. Astrid Lambrecht, Vorstandsvorsitzende des Forschungszentrums Jülich: „Gemeinsam mit einem Start-up aus der Region einen Quantencomputer zu entwickeln und zur Anwendung zu bringen, zeigt die Leistungsfähigkeit des Hochtechnologiestandorts NRW in Europa und die Effektivität des Netzwerks ‚EIN Quantum NRW‘. Über die Jülicher Nutzerinfrastruktur für Quantencomputing ist das System offen zugänglich für Nutzer aus Wissenschaft und Industrie. Davon profitieren Hochschulen, und wir fördern den Transfer von Quantentechnologien in die Industrie in NRW. Neben dem Zugang zu Quantencomputing ist auch die fachliche Unterstützung ein entscheidender Baustein. Damit tragen wir dazu bei, die agile Quantencomputing Community in Nordrhein-Westfalen zu stärken.“

„Die Integration des eleQtron-Systems kann bereits heute vom breiten Nutzerportfolio der JUNIQ-Plattform profitieren“, erklärt Projektleiterin Kristel Michielsen. „JUNIQ bietet dabei die einzigartige Möglichkeit, verschiedene Quantencomputersysteme und Konzepte auf einer Plattform miteinander zu vergleichen. Der eleQtron-Quantencomputer wird als Referenz für die Einordnung anderer Systeme dienen.“

In einem zweiten Schritt wird das Pilotsystem zum serienreifen gatterbasierten Quantencomputer mit bis zu 60 Qubits entwickelt, in die HPC-Systeme des JSC integriert, und wird ab 2026 in JUNIQ im hybriden Modus eingesetzt. Gatterbasierte Quantencomputer verwenden – daher der Name – eine Folge von Quantengattern, um den Zustand von Qubits zu manipulieren und so Quantenberechnungen durchzuführen. Sie lassen sich für ein breiteres Spektrum an Problemen einsetzen als Quanten-Annealer und sind somit vielseitiger. Das System ist der erste gatterbasierte Quantencomputer, der am Standort Forschungszentrum Jülich in den wissenschaftlichen Anwendungsbetrieb gehen wird.

Anwendungsfelder des Systems werden zum einen Optimierungsaufgaben sein, in unterschiedlichen industriellen Bereichen wie Logistik, Verkehrsoptimierung und Verfahrenstechnik. In den Grundlagenwissenschaften Physik und Chemie, Biologie und Medizin sowie Materialforschung findet der Quantenrechner ebenfalls Anwendung. Vielversprechende Einsatzfelder sind darüber hinaus auch Maschinelles Lernen und Training von Modellen der Künstlichen Intelligenz.

Im Zusammenspiel zwischen den traditionellen digitalen Hochleistungsrechnern und den aufkommenden Quantencomputern wird global ein erhebliches Innovationspotenzial gesehen. „Das Jülich Supercomputing Centre ist zusammen mit dem Münchner Unternehmen ParTec Vorreiter im vernetzten Betrieb unterschiedlicher Höchstleistungs-Rechensysteme“, erklärt Thomas Lippert, Leiter des JSC. „Wir sind führend in der Entwicklung von modularen Integrationstechnologien, die für die Kopplung zukünftiger Quantencomputer benötigt werden, und wir entwickeln hybride Quanten-HPC-Algorithmen.“

Siegener Alleinstellungsmerkmal: Ionen wie an einer Perlenkette

Partner von Jülich ist das Start-up eleQtron. Die Siegener Firma ist weltweit führend im Design von Quantencomputern auf Ionenfallen-Basis. Bei dieser Art von Quantenrechnern bestehen die Qubits aus Ionen in Ionenfallen. „Dabei werden einzelne Ionen durch elektromagnetische Felder im Vakuum wie an einer Perlenkette aufgereiht“, erklärt Jan Leisse, Mitgründer und CEO von eleQtron. „Sie sind vollständig gekoppelt – also wechselwirken alle miteinander – und können über unsere einzigartige Mikrowellensteuerung kontrolliert werden.“ Anders als supraleitende Qubits müssen Ionenfallen nicht so stark gekühlt werden. Das macht es einfacher, auch größere Quantenprozessoren mit sehr vielen Qubits auf der nötigen Temperatur zu halten.

Weitere Informationen finden Sie auf der Projektwebsite EPIQ.

Hintergrund

eleQtron ist 2020 als Spin-off aus der Forschungsgruppe vom Lehrstuhl für Quantenoptik der Universität Siegen entstanden und mittlerweile zu einem Start-up aus internationalen Experten gewachsen. Die Gründer sind Prof. Christof Wunderlich, Dr. Michael Johanning und Jan Leisse. Die Quantentechnologie ist eine der großen Zukunftstechnologien weltweit. Bis zum Ende des Jahrzehnts verspricht sie, viele Bereiche unseres Alltags zu revolutionieren – vom Finanzwesen, über die Logistik bis hin zur Medizin. In Nordrhein-Westfalen wurde im März 2022 das Netzwerk „EIN Quantum NRW“ gegründet, um das Bundesland als „Hotspot“ der Quantenforschung zu positionieren.

Quantencomputer nutzen die besonderen Eigenschaften kleinster Teilchen (Quanten), um zu höheren Rechenleistungen zu kommen, als es bis dato die stärksten Hochleistungsrechner schaffen. So haben Quanten die Eigenschaft, dass sie sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden können. Während klassische Computer mit einem binären System aus Nullen und Einsen arbeiten, ist bei Quantenrechnern eine Überlagerung von Nullen und Einsen möglich, was die Rechenleistung enorm beschleunigt. Prof. Wunderlich und seine Siegener Arbeitsgruppe haben dabei einen Ansatz entwickelt, der ionisierte Atome als Informationsspeicher nutzt. Sie werden in einer so genannten „Ionen-Falle“ gefangen und mittels Hochfrequenz-Technik gesteuert.