Quantentechnologien am Fraunhofer IIS - gut zu wissen

14. Juli 2022 | Grundlagen und Projekte der am Fraunhofer IIS behandelten Quantentechnologien kurz präsentiert

Grundlagen

Qubit

Unter einem Qubit versteht man die kleinste und grundlegende Recheneinheit eines Quantencomputers. Es verhält es sich anders als ein klassisches Bit eines herkömmlichen Computers: Während ein klassisches Bit nur die zwei Zustände »0« oder »1« annehmen kann, kann das Qubit beliebig viele Zustände annehmen, und legt sich erst beim Auslesen auf einen konkreten 0 oder 1 Zustand fest.

Ionenfallen-basierte Qubits

Ein weiteres Konzept zur Realisierung von Qubits basiert auf sog. Ionenfallen. Nimmt man ein einzelnes Atom und entfernt ein Elektron, bleibt ein positiv geladenes Ion zurück, das mit elektrischen Feldern eingefangen werden kann. Dieses eingefangene Ion kann als Quantensystem genutzt werden.

Neutralatom-basierte Qubits

Auch ultrakalte neutrale Atome können als Basis für die Realisierung von Qubits dienen. Es können verschiedene Methoden genutzt werden, um die Qubits in Wechselwirkung zu bringen, darunter dipolare Wechselwirkungen und kohärenter Austausch von Photonen in einem Hohlraum.

Supraleitende Qubits

Supraleiter sind Materialien, die bei sehr niedrigen Temperaturen widerstandsfrei Strom leiten können. Sie sind die Basis für ein weiteres Konzept zur Realisierung von Qubits.  Supraleitende Qubits sind der aktuell gängigste Ansatz und können die Basis für einen großen Entwicklungssprung im Bereich des Quantencomputings bieten.

Skalierbare Hardware

Skalierbare Hardware ist ein Begriff für Hardware, die hinsichtlich der Leistungsfähigkeit an verschiedene Aufgabenstellungen angepasst werden kann. Im Quantencomputing spielt sie eine große Rolle, da die dynamische technologische Entwicklung ständige Veränderungen und damit neue Anforderungen nach sich zieht.

Superposition

Unter Superposition versteht man die Überlagerung von Zuständen, beispielsweise bei Qubits. Sie bleiben also nicht beschränkt auf das »0« oder »1« Schema der klassischen Bits von herkömmlichen Computern.

Quanteninterferenz

Als Interferenz wird grundsätzlich ein Ereignis bezeichnet, bei dem sich zwei oder mehrere Wellen nach dem Superpositionsprinzip überlagern. Die Quanteninterferenz beschreibt ein Phänomen der Quantenmechanik, das nicht auf Wellen begrenzt ist (analog zur klassischen Interferenz), sondern immer dann auftritt, wenn das Ergebnis einer Messung auf mehreren ununterscheidbaren Pfaden erzielt werden kann (z.B. beim Doppelspalt-Versuch). In quantenmechanischen Interferenzphänomenen zeigen sich also Wellen- und Teilchencharakter.

Verschränkung

Quantenverschränkung beschreibt ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem zwei Teilchen nicht mehr als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden können, sondern nur noch das Gesamtsystem als solches. Am einen Teilchen kann man als den Zustand des anderen ablesen, da dieses auch Informationen zu seinem Zwilling besitzt. Dieses Phänomen lässt sich für die Quantenkommunikation ausnutzen.

Quantenalgorithmen

Quantenalgorithmen sind Algorithmen, die auf Quantencomputern ausgeführt werden können. Durch die Superposition von Qubits erhalten sie im Vergleich zu klassischen Algorithmen komplett andere Eigenschaften, Beispielsweise die Möglichkeit, mehrere Aufgaben parallel zu lösen. Das Fraunhofer IIS forscht im Rahmen des Quantencomputings an Hybriden Quantenalgorithmen, die Quantenrechner und klassische Computer nutzen. Außerdem beschäftigt es sich mit der Entwicklung und Analyse von Algorithmen im Bereich des Quantencomputing-gestützen maschinellen Lernens.

Kooperationen

Munich Quantum Valley

Das Munich Quantum Valley (MQV) ist eine Initiative zur Förderung der Quantenwissenschaften und Quantentechnologien in Bayern und wird von der Bayerischen Staatsregierung gefördert. Als Drehscheibe zwischen Forschung, Industrie, Förderern und Öffentlichkeit soll es unter anderem dazu beitragen, wettbewerbsfähige Quantencomputer in Bayern zu entwickeln und zu betreiben. Gründungsmitglieder des MQV sind die Bayerische Akademie der Wissenschaften, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Fraunhofer-Gesellschaft, die Max-Planck-Gesellschaft, die Ludwig-Maximilians-Universität München und die Technische Universität München.

BayQS

Das Ziel des Bayerischen Kompetenzzentrums Quanten Security and Data Science (BayQS) ist die Erforschung und Entwicklung von Grundlagenkonzepten und Lösungen und die Evaluierung von Prototypen im Bereich Quantencomputing. Dabei gliedert sich das Projekt in drei Themenschwerpunkte: Sichere Quantencomputing Programmierung & Plattformen; Robustes Quantencomputing; Quantencompting gestützte (hybride) Optimierung. Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit AISEC; das Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS, das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Technische Universität München und das Leibniz-Rechenzentrum.

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