IMS stellt Japans ersten Full-Stack-Quantencomputer mit neutralen Atomen namens „Shunkai" vor, der nun betriebsbereit ist

OKAZAKI, Japan, 27. August 2026 /PRNewswire/ -- Das Institute for Molecular Science (im Folgenden „IMS") der National Institutes of Natural Sciences gab am 24. August bekannt, dass Japans erster Full-Stack-Quantencomputer mit neutralen Atomen namens „Shunkai", der von einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Kenji Ohmori entwickelt wurde, nun betriebsbereit ist.

Weltweit werden Quantencomputer in verschiedenen Ausprägungen entwickelt. Allerdings gibt es bei ihrer praktischen Anwendung noch Herausforderungen zu bewältigen, wie beispielsweise die Skalierbarkeit und die Fehlerkorrektur während der Berechnung.

Da davon ausgegangen wird, dass diese Herausforderungen damit bewältigt werden können, findet die Quantencomputerei mit neutralen Atomen als bahnbrechende neue Methode weltweit rasch Beachtung in Wirtschaft, Wissenschaft und Politik. Bei der Quanteninformatik mit neutralen Atomen wird ein einzelnes Atom als Qubit (*1) verwendet; diese Methode weist unter anderem folgende außergewöhnliche Eigenschaften auf:
- Betrieb bei Raumtemperatur, ohne dass ein Kühlschrank erforderlich ist.
- Das Erreichen einer Quantenverschränkung (*2) (die Quelle der Quantenbeschleunigung) zwischen beliebigen Qubits durch die Bewegung der Atome (Qubits) während der Berechnungen.
- Die Qubit-Konfiguration für jeden Algorithmus flexibel optimieren.
- Die Anzahl der Qubits lässt sich relativ einfach erhöhen.
- Lange Lebensdauer der Quanteninformation in jedem Qubit.

Am IMS ist Professor Ohmori als Projektleiter für das Forschungs- und Entwicklungsteam im Bereich der Quantencomputertechnik mit neutralen Atomen im Rahmen des Projekts „Groß angelegter, hochkohärenter und fehlertoleranter Quantencomputer mit dynamischen Atomarrays" tätig, das unter Ziel 6 des „Moonshot"-Forschungs- und Entwicklungsprogramms des Kabinettsamtes und der JST („Realisierung eines fehlertoleranten universellen Quantencomputers") läuft. Mit dem Ziel, praxistaugliche Quantencomputer zu entwickeln, hat das Team Japans ersten Full-Stack-Neutralatom-Quantencomputer namens „Shunkai" entwickelt (siehe Abb. 1).

Ein „Full-Stack"-System, wie in Abb. 2 dargestellt, bezeichnet ein System, das mehrere Schichten (Stacks) integriert, die erforderlich sind, um Benutzereingaben in Ansteuersignale umzuwandeln, damit das Rechengerät als Ergebnis eine Rechenausgabe ausführen kann. Personalcomputer und Supercomputer sind Beispiele für Full-Stack-Systeme. Im Inneren von Shunkai werden atomare Qubits mithilfe von „optischen Pinzetten (*3)", die durch die starke Fokussierung von Laserlicht mit einer Objektivlinse erzeugt werden, in einem Array eingefangen. Quantenberechnungen werden durchgeführt, indem die Atome mit Mikrowellen oder Laserlicht bestrahlt werden. Die Berechnungsergebnisse werden ausgewertet, indem die Fluoreszenz jedes einzelnen Atoms mit einer Kamera erfasst wird. Das IMS hat bei der Entwicklung dieses Full-Stack-Quantencomputers eine führende Rolle übernommen und dabei auf eine enge Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft im Rahmen des „Ohmori Moonshot"-Projekts zurückgegriffen – mit Hitachi, Ltd. für den Software-Stack und mit Infleqtion, Inc. für den Quantum-Processing-Unit-Stack (QPU).

Shunkai wird in der Anfangsphase etwa 50 Qubits nutzen und seinen Umfang auf etwa 500 Qubits ausbauen. Das System wird externen Nutzern teilweise zur Verfügung gestellt, um die Entwicklung von Anwendungen sowie die Demonstration und Verbesserung der Quantenfehlerkorrektur (*4) zu ermöglichen. Zu den Plänen gehört auch eine Zusammenarbeit mit Yaqumo Inc., bei der Professor Ohmori als Gründer und leitender Berater tätig ist, mit Blick auf die gesellschaftliche Umsetzung und Weiterentwicklung des Quantencomputers.

Zukünftige Entwicklungen
In der zweiten Phase des Ohmori-Moonshot-Projekts „Fehlertoleranter Quantencomputer auf Basis neutraler Atome", die gerade im April 2026 begonnen hat, wird das Team diesen Full-Stack-Quantencomputer betreiben, um die Integrations- und Steuerungstechnologien weiterzuentwickeln und zu verbessern, das System im Hinblick auf Fehlertoleranz und größere Maßstäbe zu optimieren und über längere Zeiträume hinweg hochstabile und hochpräzise Quantenberechnungen zu ermöglichen. Bis März 2031, am Ende der zweiten Phase, soll ein groß angelegter, leistungsstarker, fehlertoleranter Quantencomputer auf Basis neutraler Atome mit 10.000 physikalischen Qubits und Funktionen zur Erkennung und Korrektur von Quantenfehlern realisiert werden, der externen Nutzern zur Verfügung steht.

Nachricht von Professor Kenji Ohmori, Institute for Molecular Science:
„Quantencomputer auf Basis neutraler Atome haben in letzter Zeit weltweit rasch an Aufmerksamkeit gewonnen als neue Technologie, die die Grenzen der bereits früher entwickelten supraleitenden Technologie überwinden könnte. Ich halte es für äußerst bedeutsam, dass wir nun Japans ersten Full-Stack-Quantencomputer in dieser hochmodernen Technologie entwickelt und seinen Betrieb aufgenommen haben. Wir gehen davon aus, dass die externe Nutzung unserer Full-Stack-Maschine „Shunkai" – beispielsweise durch Theorie- und Softwareforscher zur Entwicklung von Fehlerkorrekturtechnologien sowie durch Forscher aus der Industrie im Hinblick auf praktische Anwendungen – zu Welleneffekten in verschiedenen Bereichen der Industrie, der Wissenschaft und der Regierung weltweit führen wird. Es wird zudem erwartet, dass „Shunkai" in die bestehende gemeinsame Supercomputer-Einrichtung am IMS integriert wird, um sich zu einem Quanten-GPU-Hybrid-Rechenzentrum zu entwickeln."

Informationen zu Shunkai
Er ist nach Harumi Shibukawa benannt, wobei sein Vorname „Harumi" auch als Shunkai ausgesprochen wird – ein Astronom aus der Edo-Zeit (1603–1867), der das erste eigenständige Kalendersystem in Japan entwickelte. Berechnungen der Himmelsbewegungen auf der Himmelskugel erinnern an die präzise Steuerung von Quantenzuständen auf der „Bloch-Sphäre", die in Fachkreisen der Physik den Zustand eines Qubits darstellt. In höchster Anerkennung gegenüber Shibukawa, der auf der Grundlage präziser Berechnungen den ersten eigenentwickelten Kalender Japans erstellte, wurde dieses System „Shunkai" benannt – in der Hoffnung, dass Japans erster Full-Stack-Quantencomputer auf Basis neutraler Atome präzise Quantenberechnungen durchführen wird.
(Takafumi Tomita, Assistenzprofessor, Institut für Molekularwissenschaften, National Institutes of Natural Sciences)

Glossar
(*1) Qubit: Die grundlegende Informationseinheit in einem Quantencomputer. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits, die nur den Wert „0" oder „1" annehmen können, kann ein Quantenbit durch die quantenmechanische „Superposition" gleichzeitig sowohl den Zustand „0" als auch den Zustand „1" darstellen.

(*2) Quantenverschränkung: Ein für die Quantenmechanik einzigartiges Phänomen, bei dem zwei oder mehr Teilchen (Quanten) auch über große Entfernungen hinweg in einer starken Wechselbeziehung zueinander stehen und das Beobachtungsergebnis des einen Teilchens augenblicklich den Zustand des anderen bestimmt.

(*3) Optische Pinzette: Ein Verfahren, bei dem Laserlicht eingesetzt wird, um Partikel wie Atome oder dielektrische Partikel in der Nähe des Brennpunkts einzufangen.

(*4) Quantenfehlerkorrektur: Ein Verfahren zur Korrektur von Rechenfehlern, die durch Unvollkommenheiten bei der Manipulation sowie durch Einflüsse der Umgebung auf die Quantenbits während des Rechenvorgangs verursacht werden. Da Quantenzustände äußerst empfindlich sind und leicht zerstört werden können, ist dieses Verfahren für Quantencomputer von entscheidender Bedeutung.

Finanzierung der Forschung: https://kyodonewsprwire.jp/attach/202604237994-O11-DaDJ5C71.pdf
Foto/Abbildung: https://kyodonewsprwire.jp/attach/202604237994-O10-e1L56Rhq.pdf
Weiterführende Links: https://kyodonewsprwire.jp/attach/202604237994-O9-QN8TFY9J.pdf