Bausteine für das Quanteninternet rücken in den Fokus?

Bausteine des Quanteninternets entstehen

Quantum Computing macht in verschiedenen Teilbereichen der Technologie große Fortschritte, von einer erhöhten Qubit‑Anzahl bis zu besseren Möglichkeiten der Entwicklung von Quanten‑Netzwerken, einem völlig neuen Zustand der Materie, einem Betriebssystem für Quanten‑Netzwerke, und sogar der Findung der ersten Anwendungsfälle im KI‑Training.

Ein weiteres Feld, das Aufmerksamkeit erfordert, ist die Entwicklung von Quantenlichtquellen. Dabei handelt es sich um eine Lichtart, die so emittiert wird, dass ein verschränktes Photon‑Paar entsteht – und nur das. Verschränkte Teilchen bleiben auch bei Trennung miteinander interagieren, was zum Transfer quantenmechanischer Eigenschaften führt.

Diese Verschränkung wird für die Vernetzung von Quantencomputern entscheidend sein, da nur eine Quantenlichtquelle Quantendaten von einem Computer zum anderen übertragen kann.

Bisher war es schwierig, zuverlässige Quantenlichtquellen zu erzeugen. Eine Möglichkeit könnte die Erzeugung nichtlinearer Optik sein, mit hochgradig ertragreicher nichtlinearer Optik, die kürzlich von Forscher*innen der University of Illinois entwickelt wurde.

Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von Halbleitergallium‑nitid, das bereits in Chips und Lasern verwendet wird, obwohl dies noch in Arbeit ist.

Eine neue vielversprechende Option eröffnet sich nun, indem das seltene Erdmetall Erbium verwendet wird, mit der EQUAL Initiative (Erbium‑basierte Silizium‑Quantenlichtquellen), die von einer deutsch‑dänischen Zusammenarbeit entwickelt wurde, an der das Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR) und die Technische Universität Dänemark (DTU) beteiligt sind.

Warum Erbium für das Quanten‑Networking wichtig ist

Erbium ist ein Seltenerd‑Element (Ordnungszahl 68), das hauptsächlich wegen seiner Fluoreszenzeigenschaften verwendet wird.

Modifizierte Erbium‑Gläser oder -Kristalle werden als Laser optischer Verstärker für über Glasfasern übertragene Signale eingesetzt. Sie sind auch in Lasern für die Chirurgie und Zahnmedizin (Er:YAG‑Laser) nützlich, da sie eine kraftvolle, aber sehr oberflächliche Anwendung von Laserenergie ermöglichen.

Erbium wird hauptsächlich aus seltene‑Erd‑reichen Erzvorkommen gewonnen, die häufig mit thoriumreichen Lagerstätten assoziiert sind.

Obwohl Erbiums Fähigkeit, Licht zu emittieren, es zu einer idealen Lichtquelle für Quantenanwendungen machen sollte, war dies bisher kaum realisierbar, da Erbium nicht stark genug auf Lichtstimulation reagiert. In den derzeit hergestellten Formen würde also ein zu großer Teil der Quanteninformation zwischen der Lichtquelle und den Quanten‑Chips sowie dem Speicher verloren gehen.

„Eines der schwierigsten Ziele ist die Integration von Quantenlichtquellen mit Quanten‑Speichern. Vor ein paar Jahren schien das unrealistisch, aber jetzt sehen wir einen Weg nach vorn.“
Søren Stobbe – Professor an der Technischen Universität Dänemark (DTU)

Wie Nanophotonik Erbiums Quantenpotenzial freischaltet

Hier hat die Forschung an der Technischen Universität Dänemark einen Durchbruch erzielt. Sie entwickelten eine neue nanophotonische Technologie, die Erbium wesentlich lichtreaktiver macht.

Die Methode verbindet Erbium‑Lichtemitter mit kommerziell gefertigten nanophotonischen Silizium‑Bauelementen.

Quelle: HZDR

Damit wurde der Weg für langlebige Quanten‑Speicher geebnet, die im Wafer‑Maßstab mithilfe von CMOS‑Technologie gefertigt werden können.

„Wir beabsichtigen, fortschrittliche Ionenstrahl‑Techniken zu nutzen, um Erbium‑Atome in winzige Silizium‑Strukturen zu implantieren und zu untersuchen, wie die Verwendung von ultra‑reinem Silizium ihre Leistung verbessern kann.“
Dr. Yonder Berencén – Professor am Institut für Ionenstrahl‑Physik und Materialforschung am HZDR.

Diese Quantensysteme können für eine Vielzahl von Anwendungen neben dem Quanten‑Networking und der Telekommunikation genutzt werden, insbesondere für integrierte Photonik mit extrem geringem Stromverbrauch und neue Nanofabrikations‑Methoden.

„Die technologische Vision basiert auf der Kombination von nanophotonischen Chips der DTU mit einzigartigen Technologien in den Bereichen Materialien, Nanoelektromechanik, Nanolithografie und Quantensysteme. Heute gibt es viele verschiedene Arten von Quantenlichtquellen, aber entweder funktionieren sie nicht mit Quanten‑Speichern oder sie sind nicht mit optischen Fasern kompatibel.“
Søren Stobbe – Professor an der Technischen Universität Dänemark (DTU)

Reale Anwendungen von Erbium‑basierter Quantenlicht

Die wichtigsten Anwendungen dieser Projekte liegen im Networking von Quantencomputern, da die Nutzung von Erbium die Kompatibilität mit denselben Lichtwellenlängen ermöglicht, die in der Glasfaser‑Kommunikation verwendet werden.

Da ein normales Netzwerk aus Glasfasern kürzlich demonstriert wurde, dass es gleichzeitig Quanteninformationen und reguläre Telekommunikationsdaten transportieren kann, wird die Möglichkeit, die bereits vorhandene Glasfaser‑Infrastruktur zu nutzen, wichtig sein, um das Quanten‑Netzwerk wirtschaftlich rentabel zu machen.

„Diese Forschung wird die Grundlage dafür legen, Quanten‑Geräte zu bauen, die in die heutige Technologie integriert werden können.“
Dr. Yonder Berencén – Professor am Institut für Ionenstrahl‑Physik und Materialforschung am HZDR.

Diese Forschung wurde mit Unterstützung und Ausrüstung von Beamfox Technologies ApS (Nanotechnologie) und Lizard Photonics ApS (integrierter Photonik) durchgeführt.

Investitionen in Quantencomputing

Honeywell / Quantinuum

Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum.

Honeywell bleibt Mehrheitsaktionär des Unternehmens (vermutlich 52 % Eigentum) nach einer Finanzierungsrunde, die es mit 5 Mrd. $ bewertete. Gründer Ilyas Khan soll etwa 20 % des Unternehmens besitzen. Weitere Aktionäre sind JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM und JP Morgan.

Ein möglicher Börsengang von Quantinuum in der Zukunft, möglicherweise im Rahmen einer größeren Unternehmensumstrukturierung, wird auf bis zu 20 Mrd. $ geschätzt und könnte zwischen 2026 und 2027 stattfinden.

Quantencomputing ist nicht der zentrale Teil von Honeywells Geschäft, das stärker auf Produkte in den Bereichen Luft‑ und Raumfahrt, Automatisierung sowie Spezialchemikalien und -materialien ausgerichtet ist.

Jeder dieser Bereiche könnte jedoch vom Quantencomputing profitieren, insbesondere Computational Chemistry und Quanten‑Cybersicherheit, was Honeywell potenziell einen Vorteil gegenüber seinen Wettbewerbern verschaffen könnte.

Das aktuelle Hauptmodell des Unternehmens ist der H2, ein 56‑Qubit‑Chip mit gefangenen Ionen, das eine Zwei‑Qubit‑Gatter‑Fidelity von 99,895 % aufweist.

Das Unternehmen verfolgt Hochqualitäts‑Computing mit sehr wenigen Fehlern, anstatt lediglich möglichst viele Qubits hinzuzufügen, und schafft so das sogenannte „fehlerresistente Quantencomputing“.

Dieser Ansatz wird vom Unternehmen als „Bessere Qubits, bessere Ergebnisse“ bezeichnet, wobei eine ähnliche Anzahl von Qubits 100‑ bis 1.000‑fach zuverlässigere Resultate erzielt.

Quelle: Quantinuum

Dies könnte insbesondere bei dringend benötigter quantenresistenter Kryptografie einen Unterschied machen, wobei das Verteidigungsunternehmen Thales (HO.PA -0,96 %) bereits mit Quantinuum zusammenarbeitet sowie die internationalen Banken HSBC und JP Morgan.

Quantinuum bietet zudem seine proprietäre Quanten‑Computational‑Chemistry InQuanto an, die für Pharmazeutika, Materialwissenschaften, Chemikalien, Energie und Luft‑ und Raumfahrtanwendungen nutzbar ist.

Wie viele andere Quantencomputing‑Unternehmen bietet Quantinuum Helios an, ein „Hardware‑as‑a‑Service“, das Nutzern ermöglicht, von Quantencomputing zu profitieren, ohne sich mit der Komplexität des Betriebs selbst befassen zu müssen.

Quantinuum unterzeichnete im November 2024 eine Partnerschaft mit dem deutschen Infineon, dem größten Halbleiterhersteller Europas. Infineon wird seine integrierte Photonik‑ und Steuer‑Elektronik‑Technologie einbringen, um die nächste Generation von gefangenen‑Ion‑Quantencomputern zu schaffen.

Da integrierte Photonik und Quanten‑Netzwerke näher an praktische Anwendungsfälle rücken, wird nun deutlich, wie wichtig diese Partnerschaft für die Zukunft von Quantinuum sein könnte.

An diesem Punkt scheint der nächste Schritt für das Unternehmen zu sein, den weltweit ersten KI‑fokussierten Photonik‑Quanten‑Chip zu veröffentlichen.

„In den kommenden Monaten wird Quantinuum Ergebnisse aus laufenden Kooperationen teilen und das bahnbrechende Potenzial quantengetriebener Fortschritte im Bereich Generative KI demonstrieren.

Die innovative Gen‑QAI‑Fähigkeit wird die Nutzung von Metall‑organischen Gerüsten für die Medikamentenabgabe verbessern und beschleunigen, wodurch der Weg für effizientere und personalisierte Behandlungsmöglichkeiten geebnet wird; Details werden bei der Einführung von Helios enthüllt.“

Die Ankündigung in dieser Publikation ist Teil einer Reihe von Nachrichten, die den schnellen Fortschritt der KI‑Quantencomputing‑Verbindung bei Quantinuum betreffen.

Weitere laufende Anwendungsfälle könnten den zukünftigen Wert des Unternehmens stark steigern und damit Honeywells Beteiligung daran sowie den potenziellen Gewinn, den Investoren daraus erzielen könnten, erhöhen.

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