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„Meilenstein der Technik”: Neuer Quantencomputer mit Ionenfallen in Jülich
Elektromagnetische Felder halten Ytterbium-Ionen im Vakuum. So kann man mit Qubits rechnen, ab sofort in Jülich.
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JION – kurz für „Jülich trapped-ION quantum computer“ – ist ein digitaler, gatterbasierter Ionenfallen-Quantencomputer. Er wurde am Donnerstag am Forschungszentrum Jülich offiziell in Betrieb genommen, was laut NRW-Ministerpräsident Hendrik Wüst (CDU) einen „Meileinstein der Technik“ markiert. Sowohl Wissenschaft als auch Industrie sollen hybride Rechenkraft aus Quantencomputer und klassischen Hochleistungsrechnern des Jülich Supercomputing Centre (JSC) für reale Anwendungen nutzen. Anlässlich der Einweihung wurden gleich neue Quantencomputing-Projekte auf Schiene gelegt.
Für Quantencomputer gibt es unterschiedliche technische Ansätze, darunter Ionenfallen. Dabei dienen elektrisch geladene Atome als Informationsträger, die innerhalb elektromagnetischer Fallen gespeichert werden. Die Qubits des JION bestehen aus ionisierten Ytterbium-Atomen, die durch elektromagnetische Felder im Vakuum gehalten und für Berechnungen gezielt kontrolliert werden. Anders als bei supraleitenden Systemen muss der Quantenprozessor nicht bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts betrieben werden.
Die Anlage ist den Angaben zufolge betriebsbereit, aber gleichzeitig noch in Arbeit. Zunächst sind nur wenige Qubits verfügbar, bis Mitte 2027 sollen es zehn werden. Lieferant ist die Siegener Firma Eleqtron, eine 2020 erfolgte Ausgründung der Universität Siegen. 2024 hat das Unternehmen gemeinsam mit Partnern dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Hamburg den Demonstrator QSea mit zehn Qubits geliefert.
JION wurde im Rahmen der Entwicklungspartnerschaft Ionenfallen-Quantencomputer in NRW (EPIQ) realisiert und soll Anwendungen in Industrie und Wissenschaft, etwa bei Optimierungsaufgaben in Logistik, Verkehr und Verfahrenstechnik, Physik, Chemie, Biologie, Medizin und Materialforschung sowie beim gerade besonders gehypten maschinellen Lernen ermöglichen. Dazu wird das System in die JUelicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing (JUNIQ) eingebunden, womit es Teil der modularen Supercomputer-Architektur des Forschungszentrums Jülichs ist.
JUNIQ bündelt Zugang zu unterschiedlichen Quantensystemen und verbindet sie mit der Hochleistungsrechen (HPC)-Infrastruktur des JSC. Dank JUNIQ können beim Einsatz klassischer JSC-Supercomputer ausgewählte Rechenoperationen gezielt an Quantensysteme ausgelagert werden.
Zur Steuerung der Qubits nutzt JION die in Siegen entwickelte MAGIC-Technik (Magnetic Gradient Induced Coupling). Dabei kontrollieren Mikrowellen sowie gezielt erzeugte Unterschiede im Magnetfeld die Qubits einzeln und verbinden sie direkt mit einander. Das Verfahren soll in Zukunft auch bei größeren, leistungsfähigeren Quantensysteme zum Einsatz gelangen.
Dafür überreichte Wüst am Donnerstag den Förderbescheid für SQALING („Skalierbares Quantencomputing aus NRW“) an Eleqtron. Das eigenständige Entwicklungsprojekt des Start-ups wird vom Land Nordrhein-Westfalen mit bis zu rund 25 Millionen Euro aus Mitteln der EU über das EFRE/JTF-Programm NRW gefördert. Ziel ist, die Ionenfallen-Technik zu skalierbaren, chipbasierten Quantencomputer-Plattformen weiterzuentwickeln, die perspektivisch auch industriell eingesetzt werden könnten. Das soll Mitte 2028 in JION+ mit 40 Qubits münden.
Weitere 35 Millionen Euro Förderung fließen in das neue Projekt Q-STAR.NRW. Dessen Ziel ist Beschaffung und Integration eines skalierbaren Halbleiter-Quantencomputers in JUNIQ. Geplant ist ein System mit bis zu 200 Qubits.