EPIQ klingt auf Englisch (epic) fast wie episch auf Deutsch. Neudeutsch heißt das super. Passt. 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 (MKW) fördert EPIQ, das aus dem Netzwerk „EIN Quantum NRW“ entstanden ist, für eine Laufzeit von 4,5 Jahren mit etwa 21 Millionen Euro.
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.
Ministerpräsident Hendrik Wüst sieht die Digitalisierung als größte Chance für NRW
„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.“
„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“, ergänzte Prof. Astrid Lambrecht, Vorstandsvorsitzende des Forschungszentrums Jülich.
„Die Integration des eleQtron-Systems kann bereits heute vom breiten Nutzerportfolio der JUNIQ-Plattform profitieren“, erklärte 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.“
Nächste Schritte
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. 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.
Erhebliches globales Innovationspotenzial
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.“
Starts-ups haben Ideen und Lösungen: Mikrowellen können steuern
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.