Erzählen Sie uns von Quantopticon und den Problemen, die Sie für die Quantengemeinschaft lösen möchten.
Mirella Koleva, Geschäftsführerin: Als Quantenphysiker, Materialwissenschaftler und Ingenieure arbeiten wir gemeinsam daran, sogenannte „Quanten-2.0“-Geräte zu bauen, die die Eigenschaften der Überlagerung und Verschränkung nutzen. Aber wir müssen die grundlegenden physikalischen Prozesse verstehen, die in diesen Geräten ablaufen, bevor wir sie besser entwerfen können. Deshalb entwickeln wir bei Quantopticon Simulationssoftware, die Licht-Materie-Wechselwirkungen im Quantenbereich genau vorhersagt. Unsere Software soll eine Plattform für den Entwurf und die Optimierung von quantenphotonischen Festkörperkomponenten, Netzwerken und Geräten sein.
Wie kamen Sie auf die Idee, das Unternehmen zu gründen?
Gaby Slavcheva, wissenschaftliche Leiterin: Da ich viele Jahre in der Quanten- und nichtlinearen Halbleiteroptik gearbeitet habe, war ich mit den Methoden zur Modellierung und Simulation von Lasern vertraut. Laser sind jedoch klassische Geräte im Hinblick auf die Strahlungsstatistik, die sie aussenden, und in den letzten Jahren konnten wir große Fortschritte bei der physikalischen Verwirklichung von Richard Feynmans Quantencomputer-Paradigma beobachten, das auf fragilen Quanteneigenschaften wie Quantenkohärenz, Superposition und Verschränkung basiert. Die weltweiten Forschungsbemühungen konzentrieren sich nun auf die Entwicklung dieser Technologien der nächsten Generation und letztendlich auf einen universellen Quantencomputer.
Die photonische Quantencomputer-Modalität bietet große Vorteile hinsichtlich Skalierbarkeit und Geschwindigkeit im Vergleich zu anderen Quantencomputer-Architekturen. Die Theorie und Modellierung dieser Quanten-2.0-Effekte steckt jedoch noch in den Kinderschuhen und es werden fortschrittliche Rechenwerkzeuge benötigt, um die Leistung von Geräten auf Basis photonischer Plattformen vorherzusagen. Deshalb beschlossen Mirella und ich, Quantopticon zu gründen, um diesem wachsenden Bedarf und dem Mangel an solchen Modellierungswerkzeugen insbesondere für die Quantenphotonik gerecht zu werden. Unser Ziel ist es, die Einführung bahnbrechender Quanten-2.0-Geräte zu beschleunigen und ihre breite Einführung zu erleichtern.
Was war der Auslöser dafür, dass Sie gesagt haben: „Gut, wir gründen gemeinsam ein Unternehmen?“
MK: Ich denke, dass die Bereitschaft der Quantentechnologien in den letzten fünf Jahren auf natürliche Weise zugenommen hat. Als wir das Unternehmen 2017 gründeten, erwarteten wir diesen Fortschritt und dachten: „Dies ist der Moment, in dem wir wirklich einspringen und uns engagieren müssen, um auf dieser Welle mitzureiten.“ Also haben wir den richtigen Moment gewählt.
Wir haben sehr ehrgeizige Pläne, unsere Software-Suite weiterzuentwickeln, damit wir in den verschiedenen Teilbereichen der Quantentechnologiebranche wirklich etwas bewirken können
Ein Teil davon, auf der Welle zu reiten, ist natürlich die Beschaffung von Finanzmitteln. Wie hast du das gemacht?
MK: Ganz am Anfang haben wir eine Finanzierung bei Innovate UK beantragt, der britischen Innovationsagentur, die Zuschüsse für innovative Unternehmen wie unseres vergibt. Wir haben uns mit weltweit führenden Experimentatoren der Quantenoptoelektronik an der Universität Oxford und Experten für Galliumnitrid an der Universität Cambridge zusammengetan und gemeinsam einen Projektvorschlag verfasst. Die Idee bestand darin, in Galliumnitrid-Mikrosäulenhohlräume eingebettete Indiumgalliumnitrid-Quantenpunkte als Testumgebung für unsere Software zu verwenden. Die Finanzierung, die wir von Innovate UK erhalten haben, hat uns auch dabei geholfen, eine grafische Benutzeroberfläche für unsere Software zu entwickeln und den zugrunde liegenden Code zu beschleunigen.
Die größte Finanzierungshürde für uns – tatsächlich die schwierigste Hürde, die wir je überwinden mussten – war der Versuch, nach Abschluss des Innovate UK-Projekts eine Anschlussfinanzierung zu erhalten. Wir hatten während der COVID-Pandemiekrise eine Finanzierungslücke und das war eine wirklich schwere Zeit. Fast drei Jahre lang haben wir uns wiederholt bei Innovate UK und anderen staatlichen Förderagenturen des Vereinigten Königreichs beworben, sodass wir die meiste Zeit damit verbracht haben, Zuschussanträge zu schreiben, anstatt das Unternehmen weiterzuentwickeln. Diese Zuschussvorschläge wurden jedoch letztlich nicht für eine Förderung ausgewählt. Das war ein echter Tiefpunkt. Wir waren so entmutigt, dass wir uns auf die Suche nach einer Finanzierung aus dem Ausland machten.
Nach einigen Opfern, Mut und purer Entschlossenheit kam uns die Europäische Weltraumorganisation zu Hilfe, indem sie uns beauftragte, Komponenten für den ersten europäischen Quantenverschlüsselungssatelliten zu entwerfen. Etwa zur gleichen Zeit haben wir eine beträchtliche Geldsumme von Duality gewonnen, einem Start-up-Beschleunigerprogramm der University of Chicago in den USA, das sich auf Vorhaben konzentriert, die auf Quantentechnologien basieren. Wir waren das einzige nicht-US-amerikanische Unternehmen, das in das Programm aufgenommen wurde, und der Umzug nach Chicago gehörte zu den Voraussetzungen, sodass ich mindestens bis August 2022 in den USA bleibe. Im Januar schließlich erhielten wir einen weiteren kleinen Betrag von die SPIE in ihrem Startup Challenge-Wettbewerb bei Photonics West. Es ist ein bisschen ironisch und ein wenig traurig, dass wir vom Rest der Welt so viel Anerkennung bekommen, nicht aber von unserem Heimatland. Wir hoffen, dass sich das ändert.
Wie hat Ihnen Duality geholfen?
MK: Wir haben eine Fülle von Unterstützungs-, Mentoring- und Kursangeboten sowie die Möglichkeit geboten, uns auf hochkarätigen Veranstaltungen und Gipfeltreffen zu präsentieren. Es war unglaublich lohnend, Teil von Duality und dem anderen Start-up-Accelerator-Programm zu sein, an dem wir teilnehmen, das an der University of Toronto, Kanada, ansässig ist und Creative Destruction Lab heißt. Die beiden Programme verfolgen völlig unterschiedliche Formen der Unterstützung von Unternehmungen und ergänzen sich gut. Wir haben großes Glück, in beiden Fällen gleichzeitig zu sein.
Was sind Ihrer Meinung nach die größten Herausforderungen für den gesamten Bereich der Quantentechnologie?
GS: Die größte technische Herausforderung ist zweifellos die physikalische Realisierung eines universellen Quantencomputers. Ein nützlicher photonischer Quantencomputer, der Quantenvorteile gegenüber klassischen Berechnungen nachweisen kann, benötigt mindestens eine Million miteinander verbundener Qubits, um einen Overhead für die Quantenfehlerkorrektur bereitzustellen. Solche groß angelegten Architekturen erfordern ultraschnelle Abläufe und Verbindungen, weshalb die Industrie nach der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits- und High-Fidelity-Quantenkomponenten wie Quantenlichtquellen verlangt.
Die Entwicklung einer schnellen, skalierbaren Architektur, die erforderlich ist, um die Verschränkung einer großen Anzahl von Qubits mit minimaler Dekohärenz und optimierter Fehlerkorrektur sicherzustellen, ist eine gewaltige Aufgabe, die derzeit aus vielen Blickwinkeln und auf verschiedenen Computerplattformen angegangen wird. Wir glauben, dass wir durch die Erstellung zuverlässiger physikalischer Modelle von Quantenphänomenen und computergestützter Designtools für die integrierte Quantenphonik auf einem Chip dazu beitragen können, solch leistungsstarke Einzelkomponenten zu entwickeln. Diese Komponenten müssen dann miteinander verknüpft werden, und auch hier kann die rechnerische Modellierung helfen, ähnlich wie Tools zur Automatisierung des elektronischen Designs heutzutage selbstverständlich beim Entwurf elektronischer Schaltungen eingesetzt werden.
MK: Auf geschäftlicher Seite besteht die größte Herausforderung in diesem Bereich darin, dass die Quantenindustrie noch im Entstehen begriffen ist und nicht klar ist, wie sie in Zukunft wachsen und sich entwickeln wird. Selbst die größten Experten sind sich nicht sicher, was als nächstes passieren wird. Daher ist es für einen neuen Unternehmer wie mich, der nicht über viel Erfahrung in diesem Bereich verfügt, eine große Herausforderung, zu planen und insbesondere langfristige Pläne darüber zu schmieden, wie sich unser Unternehmen in den nächsten Jahren entwickeln wird. Uns ist bewusst, dass wir sehr agil sein müssen, um schnell reagieren zu können, sich bietende Chancen zu ergreifen und nach Neuem Ausschau zu halten.
Woran arbeiten Sie gerade und was planen Sie in den nächsten Monaten?
GS: Derzeit arbeiten wir an der Gestaltung, Modellierung und Optimierung von Halbleiter-Quantenpunkt-basierten Einzelphotonenquellen, die in optische Hohlräume eingebettet sind. Unser Ziel ist es, die Hohlraumquantenelektrodynamik und kohärente Phänomene zu nutzen, um hochwertige Einzelphotonenquellen herzustellen. Wir hoffen auch, ein breiteres Spektrum von Quantensystemen beschreiben zu können, beispielsweise Spins in Silizium, Defekte in 2D-Materialien oder Stickstoff-Leerstellenzentren in Nanodiamanten, die in photonische Strukturen eingebettet sind. Wir interessieren uns für Wellenleitergeometrien mit Kopplern, Platinen, Rotoren, Mach-Zehnder-Interferometern und verschiedenen Arten von optischen Hohlräumen wie photonischen Kristallen, Mikroresonatoren und anderen.
Unsere langfristigen Pläne bestehen jedoch darin, das Problem der Erzeugung multiphotonenverschränkter Zustände anzugehen, die für die Realisierung eines Quantencomputers erforderlich sind. Wir wollen diese mit mehreren Photonen verschränkten Quellen sowohl im Hinblick auf die Geometrie als auch auf die Eigenschaften des Quantensystems optimieren.
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Qubits herzustellen, und Sie haben gerade viele davon erwähnt. Ich vermute, dass die Qubit-Neutralität einer der Vorteile eines Quantensoftwareunternehmens im Vergleich zu einem Hardwareunternehmen sein muss.
GS: Ja, aber wir konzentrieren uns auf die photonische Quantencomputing-Plattform, weil wir fest davon überzeugt sind, dass die Zukunft des Quantencomputings in der integrierten Quantenphotonik auf einem Chip liegt. Auf diese Weise können wir skalierbare Architekturen erstellen. Es ist ein natürlicher Weg und hat in der Elektronik bereits funktioniert, also müssen wir das berücksichtigen. Mit ausgereiften Halbleitertechnologien ist es viel wahrscheinlicher, dass wir eine groß angelegte Integration erreichen.
MK: Unsere Software ist auch auf neutrale Atome anwendbar, daher sind für uns auch Unternehmen wie ColdQuanta interessant, die Quantencomputer aus neutralen Atomen bauen, und wir haben sehr ehrgeizige Pläne, unsere Software-Suite so weiterzuentwickeln, dass wir in den verschiedenen Bereichen wirklich einen Unterschied machen können Teilsektoren der Quantentechnologieindustrie. Aber das ist ein weiter Weg auf unserer Roadmap, und Gaby hat Recht, dass wir uns auf die photonische Modalität für die physische Implementierung von Qubits konzentrieren, weil sie bisher noch nicht gut untersucht ist. Wir versuchen, das zu beheben und sicherzustellen, dass wir diese Systeme wirklich richtig entwickeln und auf die Bedürfnisse unserer Kunden angemessen eingehen können, damit sie mit dem Service, den sie von uns erhalten, zufrieden sind.
Mirella Koleva ist der Geschäftsführer und Gaby Slavcheva ist der wissenschaftliche Leiter bei Quantopticon.
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