Universal Quantum stellt iQPU vor: Ionenfallen-Chip aus der Foundry mit integrierter Steuerung

Universal Quantum hat die iQPU vorgestellt, eine integrierte Quantenverarbeitungseinheit, die Ionenfalle, Steuerelektronik und Chip-zu-Chip-Verbindungen in einem Modul vereint. Das britische Unternehmen, das auch einen Standort in Hamburg hat, kündigte den Chip am 3. November an und erklärt, er werde in die beiden Systeme eingebaut, die es für das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) baut.

Was angekündigt wurde

Die iQPU hat eine aktive Rechenfläche von mehr als 400 mm², laut Universal Quantum die größte Rechenfläche mit gefangenen Ionen. Sie nutzt ein QCCD-Design (Quantum Charge-Coupled Device): Ionen werden zwischen Zonen auf dem Chip bewegt, sodass jedes Qubit neben jedes andere gebracht werden kann, statt an einen festen Ort gebunden zu sein. Nach Angaben des Unternehmens verringert diese weitreichende Konnektivität die Zahl der für kommerzielle Probleme nötigen Qubits und beschleunigt Berechnungen.

Zwei weitere Merkmale zielen auf die Skalierung. Erstens ist ein eigens entwickelter Steuer-ASIC in den Schichtaufbau integriert, der Schalt- und Steueraufgaben direkt auf dem Chip übernimmt. Damit soll das „Verdrahtungsproblem“ gelöst werden: die wachsende Zahl von Kabeln und Signalleitungen, die mit steigender Qubit-Zahl nötig wird. Zweitens besitzt jede iQPU Schnittstellen für UQConnect, die Modulverbindung des Unternehmens. Mit UQConnect wandern Ionen direkt von einem Modul ins benachbarte, sodass mehrere Chips als ein größerer Computer arbeiten können, ohne dass der Chip neu entworfen werden muss.

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Die technischen Details

Die Produktseite nennt folgende Zahlen und Designentscheidungen:

• einen Schichtstapel aus Ionenfalle, Routing-Schichten, einer integrierten Magnetfeld-Steuerschicht, Silizium-Durchkontaktierungen (TSVs) und der ASIC-Schicht. Die TSVs halten jede Kante frei für die Verbindung mit Nachbarmodulen;
• Betrieb bei etwa 70 K statt bei Mikrokelvin-Temperaturen sowie Qubit-Gatter, die über globale Mikrowellenfelder statt über eine große Zahl einzeln ausgerichteter Laser angesteuert werden;
• ein Design, das nach Unternehmensangaben eine Zwei-Qubit-Fidelity von 99,9 % ermöglicht;
• eine UQConnect-Leistung von 2.424 Qubit-Transfers pro Sekunde bei einer Verbindungsfidelity von 99,999993 %;
• Fertigung auf einer kommerziellen 200-mm-Foundry-Linie mit branchenüblichen Werkzeugen und einem angepassten Process Design Kit.

Das Unternehmen präsentiert diese Werte als Design- und Komponentendaten. In seiner eigenen Roadmap sind die Auslieferung von iQPU-Systemen an Kunden und ein gekachelter Mehrmodulaufbau noch als bevorstehend aufgeführt.

Warum das wichtig ist

Gefangene Ionen gelten als besonders hochwertige Qubits, doch darauf basierende Systeme ließen sich bislang nur schwer skalieren – sowohl in der Größe als auch beim Aufwand für Laser, Verkabelung und Kühlung. Universal Quantum setzt darauf, dass sich eine wiederholbare, in der Foundry gefertigte Einheit mit On-Chip-Steuerung wie herkömmliche Halbleiterbauteile testen und kacheln lässt. „Ein skalierbarer Quantencomputer lässt sich nicht bauen, indem man Qubit für Qubit Komplexität hinzufügt“, sagte Mike Newman, VP Engineering.

Worauf zu achten ist

Das DLR wird der erste Kunde sein, der die iQPU erhält. Es hat Universal Quantum beauftragt, für seine Quantencomputing-Initiative in Hamburg zwei Rechner zu bauen, Toccata und Legato; die Aufträge haben ein Volumen von 67 Millionen Euro. Die Vorstellung folgt auf die Series-A-Runde über mehr als 100 Millionen US-Dollar im Oktober, die DCVC und Firgun Ventures gemeinsam anführten. Entscheidend werden gemessene Fidelities auf ausgelieferter Hardware und ein funktionierendes Mehrmodulsystem sein.