德国启动第一个超导量子计算机开发项目

光子盒研究院出品

德国联邦教育与研究部(BMBF)资助了一个为期四年的项目——GeQCoS(基于超导量子比特的德国量子计算机)，目标是基于超导量子比特构建具有新特性的量子处理器。

在这个联合项目中，德国超导量子电路领域的领先专家合作开发了创新概念，用于构建改进的量子处理器。他们的目标是基于卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的新材料和制造方法、埃尔朗根-纽伦堡大学(FAU)的定制理论概念、德国于利希研究中心(FZJ)的优化控制方法和瓦尔特-梅纳研究所(WMI-巴伐利亚科学院和慕尼黑工业大学合作)的更高连接性的新架构概念，实现质量更高的量子处理器。

为了实现这一目标，半导体制造商英飞凌(Infineon)将开发可扩展的制造工艺，而位于弗赖堡的弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(IAF)正在推动优化芯片封装的开发。最终，处理器的性能将通过WMI专门开发的量子算法进行演示。

量子计算机有望有效解决传统计算机难以解决的问题。包括化学和制药工业的复杂分子性质的计算、优化任务的解决、汽车工业的生产流程以及金融交易中的计算。如今，量子计算机已经通过掌握小而具体的问题展示了它们的基本功能。然而，比经典计算机计算速度更快的量子计算机仍未实现。因此，计算实际问题的合适体系结构只能通过硬件和软件的根本改进来实现。

在GeQCoS项目中，将开发一个量子处理器原型，由几个超导量子比特组成，具有从根本上改进的组件。在这项技术中，量子计算机的基本构件即量子比特，是通过超导电路中无电阻流动的电流来实现的。这些电流在外部干扰下相对稳定，可以在相对长的时间尺度上保持其量子特性。加上可靠和可扩展的制造方法，形成一种领先的量子技术，并将用于制造第一批量子处理器。

GeQCoS量子处理器

一方面，计划中的改进涉及量子比特的连接性、单个量子比特之间的连接数量以及量子比特的质量，以提高其快速有效地产生所需量子态的能力。“通过使用新型材料，我们希望量子比特有更好的再现性和更高的质量，”Ioan Pop教授(KIT)说。“我们还将改进制造方法，这样就不会有影响量子比特质量的缺陷，”Alexey Ustinov教授(KIT)补充道。

研究人员特别关注硬件和软件之间的相互作用，他们开发了与硬件非常匹配的算法，即量子比特的类型以及量子比特之间存在的操作和连接。Hartmann教授(FAU)说，这是目前和不久的将来优化硬件资源使用的唯一途径。Wilhelm-Mauch教授补充说，特别地，他们还将开发更高效、更精确的方法来表征量子位并对整个系统进行建模。他最近加入了德国于利希研究中心，正在那里与DiVincenzo教授(DiVincenzo准则提出者)和Bushev博士合作建立一个量子计算中心。

此外，为量子技术的快速工业化和商业化奠定基础也很重要。包括根据工业标准生产可扩展的量子电路。英飞凌凭借其多年的专业半导体芯片制造经验，可以为改善超导电路做出重大贡献。英飞凌的Sebastian Luber表示，为了实现这一目标，他们还可以利用在离子阱领域的量子技术专长，这是另一个非常有前途的量子计算机平台。

为了能够精确地控制高度敏感的量子电路，同时保护它们免受环境干扰，在这个项目下正在开发一个优化的处理器外壳。扩展到大量的量子比特并在低温下运行，也是封装技术的一个主要挑战。“我们可以很好地改造传统工具，并将它们应用到量子技术领域，”Sébastien Chartier(IAF)说。

GeQCoS开发的技术不仅会带来新的科学知识，还会通过与公司的密切联系加强德国和欧洲的量子生态系统。它的具体目标是让量子处理器尽早在硬件和软件层面都可以使用。

由于许多公司拥有强大的研发部门，德国处于理想的起点。有了项目中开发的处理器，量子技术领域的公司能力将得到提升，一批新的初创企业也将出现。

此外，该项目可能成为当前联邦政府建造“德国制造”量子计算机计划的核心。科学和工业之间的密切联系是对促进技术转让和建立基于超导量子比特的德国网络的明确承诺。该项目面向工程、计算机科学和物理之间的接口，考虑到量子信息处理领域的跨学科性质，并作为德国技术领域的一个重要组成部分，用于培养和进一步教育高素质的科学家。

项目合作伙伴:

瓦尔特-梅纳研究所(WMI)是巴伐利亚科学院与慕尼黑工业大学密切的合作组织，在量子科学和量子技术领域(QWT)特别是超导电路方面开展了近20年的开创性工作，并在慕尼黑地区以领先地位参与了大量量子倡议。

德国于利希研究中心(FZJ)致力于量子材料、量子计算设备以及JUNIQ量子计算用户设施。它涵盖了量子计算的基础研究和应用。它也是欧洲旗舰项目OpenSuperQ的中心实验室。

卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)在多路量子比特读出、二能级缺陷、量子模拟器和量子超材料方面开展了开创性的实验工作，量子电路也取得了进展。

埃尔朗根-纽伦堡大学(FAU)是世界上最具创新性的大学之一。在Hartmann教授的团队中，除了耦合电路和量子比特的发展之外，近场量子计算机算法的发展也是领先的。

英飞凌科技股份有限公司是全球领先的半导体解决方案提供商，拥有业界最广泛的产品组合之一。该公司在专业技术的概念、设计和制造方面拥有高水平的专业知识，目前参与了几个量子技术联盟，包括基于离子阱量子计算机的PIEDMONS和基于硅量子计算机的QUASAR。

弗劳恩霍夫应用固体物理研究所提供了III/V半导体领域的整个价值链，同时在波导和印制电路板上实现微波和亚毫米波模块方面拥有多年经验。而在量子计算领域，弗劳恩霍夫协会参加了欧盟项目"SEQUENCE"(低温电子学的发展)，并协调巴登-符腾堡量子计算能力中心。

原文链接：

https://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/EN/2021/notifications/2021-01-29-geqcos.html

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