Imec und Diraq skalieren Silizium-Qubits in CMOS-Technologie

Imec und Diraq haben den kohärenten Betrieb und das Auslesen eines Arrays aus acht Silizium-MOS-Spin-Qubits demonstriert. Die Bauelemente wurden auf Imecs 300-mm-Spin-Qubit-Plattform in einem CMOS-kompatiblen Foundry-Prozess entwickelt und gefertigt.

Das Ergebnis wurde in Nature Communications veröffentlicht und gilt als Schritt hin zu skalierbaren Quantenprozessoren auf Basis industrieller Halbleiterfertigung. Der Nachweis zeigt, dass sich Silizium-Quantenbauelemente über isolierte Qubit-Paare hinaus betreiben lassen. Damit rückt die Frage in den Fokus, wie weit sich Quantenprozessoren mit etablierten Fertigungstechnologien der Chipindustrie skalieren lassen.

Die Bedeutung von Silizium-Spin-Qubits für Quantencomputer

Silizium-Spin-Qubits gelten als vielversprechender Ansatz für große Quantencomputer, weil sie an bestehende Halbleiterprozesse anschließen können. Statt völlig neuer Fertigungsumgebungen nutzen sie Strukturen und Prozessschritte, die der CMOS-Fertigung ähneln.

Für die Skalierung ist das entscheidend. Ein Quantenprozessor mit vielen Qubits braucht nicht nur gute Einzelbauelemente. Er benötigt reproduzierbare Fertigung, kontrollierbare Arrays, stabile Auslesestrukturen und eine Architektur, die mit steigender Qubit Zahl nicht sofort an Verdrahtung, Wärme oder Bauraum scheitert.

Was Imec und Diraq demonstriert haben

Imec und Diraq haben ein lineares Array mit acht Silizium-Spin-Qubits kohärent betrieben. Nach Angaben der Veröffentlichung wurden alle acht Qubits eingestellt und charakterisiert. Die Forscher erreichten Ramsey-Dephasierungszeiten von bis zu 41 Mikrosekunden und Hahn-Echo-Kohärenzzeiten von bis zu 1,31 Millisekunden. Zudem wurde eine Zwei-Qubit-Gate-Operation zwischen benachbarten Qubits gezeigt.

Imec koordiniert Quanten-Pilotlinie

An der Quanten-Pilotlinie SPINS arbeiten 25 Partner aus Forschung, Industrie und Bildung daran, den strategischen Rahmen des EU-Chipgesetzes in konkrete Maßnahmen umzusetzen. Im Fokus steht die Entwicklung von Quantenchips für Quantencomputeranwendungen.

Wichtig ist dabei nicht nur die Zahl von acht Qubits. Entscheidend ist, dass die Struktur in einem 300-mm-Prozess hergestellt wurde, der mit industrieller CMOS-Fertigung kompatibel ist. Damit verbindet die Demonstration Quantenphysik mit einem Fertigungsansatz, der grundsätzlich auf hohe Stückzahlen, Prozesskontrolle und Reproduzierbarkeit ausgelegt ist.

Ansatz geht über zwei Qubits hinaus

Die neue Arbeit baut auf früheren Ergebnissen von Imec und Diraq auf. 2025 hatten die Partner gezeigt, dass industriell gefertigte Silizium-Spin-Qubits in einer 300-mm-Foundry-Umgebung Fidelity-Werte erreichen können, die für Quantenfehlerkorrektur relevant sind. Dabei ging es vor allem um Einzel-und Zwei-Qubit-Bausteine.

Mit dem Acht-Qubit-Array verschiebt sich der Fokus nun auf größere Strukturen. Die Auslesearchitektur soll dabei nicht im gleichen Maß mehr Sensoren, Verdrahtung oder thermische Last benötigen. Ein solches Verhältnis ist für kompakte Quantenprozessoren wichtig, da große Qubit-Arrays sonst schnell durch Infrastruktur begrenzt würden.

Was das für die industrielle Fertigung bedeutet

Die Ergebnisse zeigen, dass 300-mm-Halbleiterprozesse auch für Quantenbauelemente jenseits einfacher Qubit-Paare geeignet sein können. Damit entsteht ein möglicher Weg, Quantenprozessoren nicht nur im Labor zu entwickeln, sondern perspektivisch mit Werkzeugen der modernen Chipfertigung herzustellen.

Für die weitere Entwicklung bleiben jedoch zentrale Aufgaben bestehen. Dazu gehören höhere Qubit-Zahlen, belastbare Fehlerkorrektur, stabile Steuerung, skalierbare Verdrahtung und die Integration in vollständige Quantenrechnersysteme. Die Demonstration von Imec und Diraq adressiert vor allem eine Kernfrage auf dem Weg dorthin: ob industrielle Fertigung die Kohärenz und Kontrolle größerer Silizium-Qubit-Arrays tragen kann.

Materialien für Quantentechnologien

Materialplattformen bilden die Grundlage aktueller Quantentechnologien. Ihre Eigenschaften bestimmen, wie leistungsfähig, skalierbar und wirtschaftlich Anwendungen in Quantencomputing, Quantensensorik und Quantenkommunikation umgesetzt werden können.

Sabine Synkule

Stimmen von Imec und Dirac zur Entwicklung

„Die Zukunft des Quantencomputings hängt nicht nur von der Qualität der Qubits ab, sondern auch von der Fähigkeit, zunehmend komplexe Quantenprozessoren mit der Reproduzierbarkeit, Ausbeute und Skalierbarkeit der Halbleiterindustrie zu fertigen“, sagt Kristiaan De Greve, Fellow und Program Director Quantum Computing bei Imec. „Dieses Ergebnis zeigt, dass eine industrielle 300-mm-CMOS-kompatible Fertigung Quantensysteme jenseits isolierter Qubit-Paare unterstützen kann. Durch die Kombination von Imecs fortschrittlicher Halbleiterprozesstechnologie mit Quantum Device Engineering machen wir wichtige Schritte hin zu skalierbaren Quantenprozessoren auf Siliziumbasis.“

„So sieht ein industrieller Weg zum Quantencomputing aus“, sagt Andrew Dzurak, Gründer und CEO von Diraq. „Vor neun Monaten haben wir gezeigt, dass sich Silizium-MOS-Qubits zuverlässig mit Imecs 300-mm-CMOS-Plattformtechnologie fertigen lassen. Heute hat Imec skaliert und Diraq die Größe des Arrays mit genau demselben Prozess getestet, ohne Kompromisse bei der Kohärenz. Das ist der Takt, den wir brauchen, um Utility Scale zu erreichen, und genau diesen Takt erwarten wir auch künftig beizubehalten.“

Begriffserklärungen zu diesem Beitrag:

• Spin-Qubit: Ein Spin-Qubit codiert die Zustände ∣0⟩ und ∣1⟩ in zwei Spin-Zuständen eines Teilchens, meist eines Elektrons oder Kerns, etwa Spin-up und Spin-down in einem Magnetfeld. Gesteuert wird es typischerweise über Mikrowellen- oder elektrische Pulse, ausgelesen über spinabhängige Tunnel- oder Resonatoreffekte. Vorteil: sehr kleine Bauelemente und potenziell lange Kohärenzzeiten.
• Ramsey-Dephasierungszeit: Die Ramsey-Dephasierungszeit, oft als T₂^∗ bezeichnet, beschreibt, wie schnell ein Qubit bei freier Entwicklung seine feste Phasenbeziehung verliert. Gemessen wird sie mit einer Ramsey-Sequenz aus zwei π/2-Pulsen mit Wartezeit dazwischen. T₂^∗T_2^*T2∗ ist besonders empfindlich gegenüber langsamen Frequenzschwankungen und Inhomogenitäten der Umgebung.
• Hahn-Echo-Kohärenzzeit: Die Hahn-Echo-Kohärenzzeit, meist T₂^echo wird mit einer Pulsfolge π/2–Wartezeit –  π – Wartezeit – π/2 bestimmt. Der π-Puls kehrt viele langsame Phasenfehler um, sodass die Kohärenz länger erhalten bleibt als bei Ramsey. Deshalb ist T₂^echo meist größer als T₂^∗ und zeigt besser die echte, nicht einfach refokussierbare Dekohärenz.
• Fidelity-Wert: Der Fidelity-Wert gibt an, wie gut ein real erzeugter Zustand, ein Gate oder eine Auslese mit dem idealen Soll übereinstimmt. Formal ist es ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen realem und idealem Ergebnis; 1 bedeutet perfekt, 0 bedeutet vollständig verschieden. In der Praxis spricht man oft von State-Fidelity, Gate-Fidelity oder Readout-Fidelity, je nachdem, was bewertet wird.