Die Fertigungsgrundlagen für eine Revolution des Computing schaffen

Quantencomputing braucht eine Fertigungsgrundlage

Quantencomputing hat das Potenzial, komplexes Computing in Branchen wie der Pharmaindustrie und im Gesundheitswesen, der Fertigung und im Finanzwesen zu verändern. Doch der Schritt von einem funktionierenden Laborgerät zu Tausenden zuverlässigen und reproduzierbaren Systemen stellt eine ganz andere Herausforderung dar.

Für Hersteller von Quantenhardware lautet die Frage nicht mehr nur, ob ein Gerät funktioniert. Entscheidend ist vielmehr, ob Tausende Geräte in großem Maßstab konsistent produziert, gemessen und betrieben werden können.

Genau diese Herausforderung unterstützt das Akkodis-Spezialistenteam den Quantenhardware-Spezialisten Sparrow Quantum zu bewältigen.

„Ein einzelnes Gerät in einem Labor zum Laufen zu bringen, ist das eine. Tausende davon dazu zu bringen, sich identisch, zuverlässig und in großem Maßstab zu verhalten, ist etwas völlig anderes“, erklärt Vice Rončević, Digital Manufacturing Engineer und Consultant bei Akkodis in Dänemark.

Die Skalierung von Quantenhardware erfordert Präzision

Sparrow Quantum entwickelt Single-Photon-Source-Chips, winzige Geräte, die einzelne Photonen aussenden und eine wichtige Komponente von Quantentechnologien sind.

Ihre Herstellung und ihr Betrieb erfordern höchste Präzision. Jeder Chip wird auf etwa −270 °C heruntergekühlt, in einem Vakuum platziert und präzise mit einem Laser angesteuert, der auf spezifische Parameter abgestimmt ist.

Die Herausforderung besteht darin, dass sich einzelne Geräte unterschiedlich verhalten können. „Man kann nicht einfach sagen, dass jeder Chip bei derselben Spannung oder Wellenlänge funktioniert. Man muss jeden einzelnen messen, kalibrieren und entsprechend anpassen“, erklärt Rončević.

Dadurch verändert sich die Rolle digitaler Technologien in der Fertigung.

In der konventionellen Produktion unterstützen digitale Systeme häufig Prozesse wie Produktionsverfolgung, Logistik und Qualitätsüberwachung. Bei Quantenhardware wird die digitale Ebene zunehmend selbst zu einem Bestandteil der Produkt- und Fertigungsarchitektur.

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„Ein System wie dieses kann ohne eine digitale Ebene nicht existieren. Sie ist keine Option, sondern eine absolute Notwendigkeit. Sie ist fest in die Architektur integriert.“

Quantendaten in eine skalierbare Architektur überführen

Quantenhardware erzeugt große Mengen hochspezialisierter Daten. Die Messungen können von den Eigenschaften von Nanostrukturen und der optischen Ausrichtung bis hin zu Photonen-Ausgaben in Echtzeit reichen.

Diese Informationen müssen zwischen Physikern, Forschern, Ingenieuren und Geschäftsteams ausgetauscht werden, dabei aber sicher, zugänglich und strukturiert bleiben.

Die Herausforderung besteht daher nicht einfach darin, Daten zu sammeln. Es geht darum, eine Architektur zu schaffen, die Forschung, Engineering und Geschäftsaktivitäten miteinander verbindet, während das Unternehmen wächst.

Bei Sparrow Quantum berät Akkodis dazu, wie Datenflüsse über die Architektur hinweg strukturiert werden können, einschließlich verschiedener Benutzergruppen und Zugriffsebenen.

Eine skalierbare Datenarchitektur muss Folgendes unterstützen:

• Sichere Zugriffe und Informationsflüsse
• Unterschiedliche Teams und Verantwortungsbereiche
• Zukünftiges Unternehmenswachstum
• Zusammenarbeit zwischen Forschung und Engineering
• Integration neuer Technologien und Systeme

Für ein sich schnell entwickelndes Quantenunternehmen ist diese digitale Grundlage entscheidend, um experimentelle Daten in nutzbares Engineering-Wissen zu überführen.

Quantenfertigung für Reproduzierbarkeit entwickeln

Reproduzierbarkeit ist ein grundlegendes Prinzip moderner Fertigung: die Fähigkeit, innerhalb definierter Toleranzen konsistente Ergebnisse zu erzielen.

Bei Quantenhardware ist diese Anforderung noch anspruchsvoller. Fertigungs- und Softwaresysteme müssen Fehler kontrollierbar, nachvollziehbar und auf ein Minimum reduziert machen.

Dies erfordert einen starken Fokus auf:

• Modulare Architekturen
• Klar definierte Schnittstellen
• Strenge Dokumentation
• Unabhängige Tests
• Nachvollziehbare Prozesse
• Wiederverwendbare Softwarekomponenten

Sparrow Quantum wendet diese Prinzipien auf seine Software und Infrastruktur an und entwickelt modulare Komponenten, die unabhängig getestet, integriert und bei der Weiterentwicklung der Systeme ausgetauscht werden können.

Ziel ist es, eine Fertigungs- und digitale Umgebung zu schaffen, die sich weiterentwickeln kann, ohne dass das gesamte System neu entwickelt werden muss.

Forschung und kundentaugliche Systeme unterstützen

Unternehmen im Bereich Quantentechnologie stehen vor einer besonderen Herausforderung: Sie müssen kontinuierlich Innovationen vorantreiben und gleichzeitig zuverlässige Systeme für Kunden bereitstellen. Forschungsteams experimentieren möglicherweise mit neuen Konfigurationen, Materialien und Techniken, während Produktteams stabile und reproduzierbare Lösungen benötigen.

Die zugrunde liegende Fertigungs- und Softwareinfrastruktur muss beides unterstützen.

„Die Teams von Sparrow entwerfen das Grundgerüst. Meine Aufgabe ist es, zu beraten, wie diese Struktur sowohl stabile, kundentaugliche Systeme als auch die für neue Experimente notwendige Flexibilität unterstützen kann“, sagt Rončević.

Modularität ist entscheidend.

Austauschbare Bausteine ermöglichen es Teams, neue Technologien oder experimentelle Konfigurationen einzuführen, ohne etablierte Workflows zu beeinträchtigen.

Quantenexperimente können komplexe optische Systeme, kryogene Umgebungen und spezialisierte Messgeräte umfassen.

Ein Beispiel ist ein Time-Tagger, der Photonenereignisse mit extrem hoher Präzision erfasst und Forschern dabei hilft festzustellen, ob ein Versuchsaufbau wie erwartet funktioniert.

Von experimentellen Daten zu aussagekräftigen Erkenntnissen

Fortschrittliche Quantenexperimente können äußerst wertvolle Daten erzeugen. Ihr Nutzen hängt jedoch von der verfügbaren Infrastruktur ab, um diese Daten zu verarbeiten und zu interpretieren. Hochgeschwindigkeits-Datenpipelines, zuverlässige Software und gut konzipierte Schnittstellen helfen Forschern dabei, aus experimentellen Ergebnissen aussagekräftige Erkenntnisse zu gewinnen.

Ohne diese digitale Grundlage können selbst hochentwickelte Experimente schwierig zu analysieren, zu reproduzieren oder in zukünftige Entwicklungen zu integrieren sein.

Die Qualität der zugrunde liegenden Infrastruktur beeinflusst daher unmittelbar, wie schnell sich Quantentechnologien weiterentwickeln können.

Quantencomputing ist auch eine Engineering-Herausforderung

Die Zukunft des Quantencomputings wird von wissenschaftlichen Durchbrüchen abhängen. Doch diese Durchbrüche in skalierbare Technologien zu überführen, erfordert weit mehr als Physik.

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„Quantencomputing ist nicht nur ein physikalisches Problem“, sagt Rončević. „Es ist gleichzeitig ein Engineering-, ein System- und ein Fertigungsproblem.“

Die Skalierung von Quantentechnologien erfordert daher das Zusammenspiel von Quantenwissenschaft, Fertigungsengineering, Software, Datenarchitektur und Systems Engineering. Organisationen, die diese Grundlage schaffen können, sind besser aufgestellt, um Quantentechnologien aus experimentellen Umgebungen in zuverlässige, skalierbare und kundentaugliche Systeme zu überführen.

Beim Quantencomputing könnte der nächste Durchbruch aus der Wissenschaft kommen. Doch diesen Durchbruch in eine skalierbare Technologie zu überführen, wird von den Systemen abhängen, die darum herum aufgebaut werden.

Akkodis vereint Engineering, digitale Fertigung, Software- und Systems-Expertise, um aufstrebende Technologieunternehmen beim Aufbau der industriellen und digitalen Grundlagen zu unterstützen.