Materialien für Quantentechnologien

In der gesamten Quantentechnologiebranche braucht es Materialplattformen, die Skalierbarkeit und damit letztlich die kommerzielle Tragfähigkeit der Quantentechnologie ermöglichen. Diese Materialplattformen bilden die physische Grundlage der Quantensysteme, mit deren Hilfe Produkte von den Eigenschaften der Quantenphysik profitieren können: sei es durch die Lösung klassisch nicht beherrschbarer Probleme im Quantencomputing, durch eine um Größenordnungen höhere Empfindlichkeit bei Quantensensoren oder durch sichere kryptografische Lösungen in der Quantenkommunikation.

Das sind die Chancen und Risiken von Quantencomputern

Der Wettlauf um den Bau leistungsfähigerer Quantencomputer wird immer intensiver. Die Quantenüberlegenheit wird bestehende digitale Sicherheitsmechanismen ernsthaft gefährden, sodass ein weiterer Wettlauf um sichere Lösungen beginnt, die dem Quantencomputing standhalten.

Drei zentrale Materialplattformen für Quantentechnologien

Aus Materialsicht macht es Sinn, Quantentechnologien nicht in die drei Marktsegmente Quantencomputing, Quantensensorik und Quantenkommunikation aufzuteilen, sondern nach den Quantensystemen, auf dem sie basieren.

Die drei wichtigsten Materialplattformen für Quantentechnologien sind:

• Photonische Systeme
• Supraleitende Chips
• Nanomaterialien und Diamant

In allen drei Fällen erstrecken sich die Materialplattformen jeweils über alle drei Marktsegmente. Dadurch können Technologien und Produkte aus unterschiedlichen Bereichen der Quantentechnologie oft von denselben Materialinnovationen, Komponenten oder Fertigungskompetenzen profitieren.

Photonik in Quantencomputing, Sensorik und Kommunikation

Photonik spielt in der Quantentechnologie eine zentrale Rolle, weil Lichtquanten, also Photonen, besonders gut als Informationsträger geeignet sind. Sie sind schnell, koppeln vergleichsweise schwach an ihre Umgebung und lassen sich über große Distanzen mit geringen Verlusten übertragen. Deshalb bilden sie die Grundlage für die Quantenvernetzung, also die Verbindung einzelner Quantensysteme zu größeren Netzwerken. In diesem Kontext fungieren Photonen als „fliegende Qubits“, die Verschränkung zwischen räumlich getrennten stationären Qubits erzeugen und übertragen können, etwa zwischen Ionenfallen oder Neutralatomsystemen.

Ionenfallen- und Neutralatom-Quantencomputer

Im photonischen Quantencomputing werden Qubits sogar direkt in den Zuständen einzelner Photonen kodiert, beispielsweise über Polarisation, Phase oder Zeit-Bins. Mithilfe interferometrischer Strukturen lassen sich diese Zustände gezielt manipulieren, sodass Quantenlogikoperationen und komplexe Rechenprozesse möglich werden. Auch bei Ionenfallen- und Neutralatom-Qubits ist Photonik unverzichtbar. Obwohl hier nicht selbst die Qubits von Interesse sind, sind photonische Komponenten für Initialisierung, Kontrolle und Auslesen unverzichtbar. Sowohl Atome als auch Ionen, die im Vakuum gehalten werden, können durch angelegte Laserfelder bewegt, gekühlt oder in ihrem Quantenzustand verändert werden, wobei die Laser mit den intrinsischen Energieniveaus der Teilchen koppeln. Allerdings können bei Ionenfallen die Ionen wegen ihrer elektrischen Ladung in elektrischen Feldern gefangen werden, die praktisch über metallische Kontakte auf dem Quantenchip erzeugt werden. Neutrale Atome dagegen müssen allein mit Lasern und Magnetfeldern gekühlt und gefangen werden. Für beide Ansätze gewinnt integrierte Photonik an Bedeutung, weil sie Fehler reduziert, die Robustheit erhöht und Skalierbarkeit demonstriert.

Welche Aufgaben übernehmen photonische integrierte Schaltkreise?

Quantenkommunikation für Datensicherheit – auch in Zukunft

Quantencomputer bedrohen bestehende Verschlüsselungen. Wer sich auch in Zukunft vor Cyberangriffen schützen will, braucht neue Technologien. Die Quantenkommunikation, die auf physikalischen Prinzipien beruht, ist hier eine sichere Lösung.

Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) übertragen optische Funktionen aus dem komplexen Laboraufbau auf eine kompakte, stabile und skalierbare Chipplattform, auf der sich Photonen gezielt erzeugen, führen, modulieren, detektieren und mit atomaren Systemen oder Spin-Defekten koppeln lassen. Auf ihnen sind optische Bauelemente wie Wellenleiter, Modulatoren und Detektoren integriert, um Lichtsignale – auch einzelne Photonen – gezielt zu erzeugen, zu steuern und zu verarbeiten. PICs integrieren oft auch Einzelphotonenquellen, z. B. nichtlineare Materialien für spontane parametrische Prozesse, oder Einzelphotonendetektoren, z. B. supraleitende Nanodrahtdetektoren. Das reduziert Verluste und erhöht die Stabilität gegenüber freien optischen Aufbauten. Für Systeme wie Ionenfallen, neutrale Atome oder NV-Zentren in Diamant übernehmen PICs die Rolle einer präzisen Schnittstelle. Sie ermöglichen eine gezielte Lichtführung zu einzelnen Atomen oder Defekten, eine kontrollierte Anregung z. B. mit resonanten Laserpulsen, das Auslesen des Quantenzustands über emittierte Photonen und Photon–Materie-Kopplung durch integrierte Resonatoren oder Kavitäten zur Verstärkung der Wechselwirkung.

Der zentrale Mehrwert der PICs besteht in der sinkenden Größe, Gewicht und Energiebedarf eines Quantencomputers, auch die skalierbare Herstellung kommerzieller Systeme über standardisierte Halbleiterfertigungsprozesse wird erleichtert. Darüber hinaus können PICs die Leistung verbessern und das Rauschen reduzieren, weil der gesamte optische Pfad kürzer wird und die relative Position der Komponenten fest definiert ist, was die Justage vereinfacht und Fehlanpassungen verringert.

Die Anforderungen an Quanten-PICs unterscheiden sich jedoch stark von anderen Anwendungen. Aufgrund der Fragilität von Quantensystemen ist ihre Verlusttoleranz äußerst gering. Um Systeme wie Atome und Punktdefekte in Diamant anzusteuern, müssen sie zudem bei Wellenlängen arbeiten, die der traditionellen Telekommunikations- oder Datacom-Industrie wenig vertraut sind.

Quantenphysik zum Anfassen und Spaß haben

Ein halb totes Schmusetier ist Namensgeberin des ersten Escape Rooms zur Quantenphysik für Kinder und Jugendliche. Die Katze-Q-Kiste verbirgt eine Quantenwohnung mit 17 Rätseln. Phänomene aus der Quantenwelt lassen sich hier mit allen Sinnen erleben.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, erforschen Photonik-Innovatoren PIC-Materialplattformen jenseits von Silizium, denn Silizium-Photonik ist zwar die am weitesten entwickelte Plattform, zugleich ist sie aber ungeeignet für sichtbare Wellenlängen. Siliziumnitrid (SiN) hingegen gilt als ausgereifte Wellenleiterplattform mit großem Betriebsfenster. Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) und Bariumtitanat (BTO) sind weitere Beispiele für aufstrebende Materialien in der Quantenphotonik, wobei TFLN besonders geeignet für optische Schalter mit ultraschneller Modulation ist. Verfechter dieser Materialien kommen sowohl aus der Quantenindustrie selbst – etwa PsiQuantum, QuiX Quantum und Quantum Computing Inc. (QCi) – als auch von externen Foundries und Partnern.

Supraleitende Chips als Basis quantentechnologischer Hardware

Supraleitende Chips sind wichtige Hardwareplattformen der Quantentechnologie, weil sie quantenmechanische Zustände in mikrofabrizierten Schaltungen kontrollierbar machen und damit Anwendungen von Sensorik bis hin zu Quantencomputern ermöglichen. Mikrofabrizierte supraleitende Schaltungen bestehen aus dünnen Schichten supraleitender Metalle oder Verbindungen – etwa Aluminium oder Niob –, die mithilfe von Halbleiterprozessen auf Wafern strukturiert werden. Supraleitung ist ein physikalischer Zustand, bei dem ein Material unterhalb einer kritischen Temperatur elektrischen Strom ohne Widerstand und damit verlustfrei leitet. Um supraleitend zu werden, müssen die entsprechenden Materialien üblicherweise auf Temperaturen unter 20 K gekühlt werden, in der Praxis oft sogar in den mK-Bereich. In diesem Zustand bewegen sich Elektronen als Cooper-Paare ohne elektrischen Widerstand, und selbst sehr kleine äußere Signale können messbare Reaktionen hervorrufen. Zudem sorgen die extrem niedrigen Temperaturen für ein Umfeld mit sehr geringem Rauschen. Gleichzeitig entstehen daraus aber erhebliche Einschränkungen, denn um Temperaturen im Bereich weniger Kelvin oder darunter zu erreichen, sind kryogene Systeme nötig, die groß, energieintensiv, teuer und heliumabhängig sind.

Eine zentrale Rolle bei supraleitenden Chips spielt der Josephson-Effekt. Er beschreibt den quantenmechanischen Tunnelstrom von Cooper-Paaren zwischen zwei Supraleitern, die durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind. Dadurch entsteht ein nichtlinearer, verlustfreier Stromfluss, der sich gezielt zur Realisierung und Kontrolle von Quantenzuständen nutzen lässt.

Wie werden SQUIDs, supraleitende Qubits und SNSPDs eingesetzt?

SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) nutzen die Interferenz von supraleitenden Strömen in einem Ring mit Josephson-Kontakten, um extrem kleine Magnetfeldänderungen mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren. Als Quantensensor besitzt ein SQUID ein oder zwei Josephson-Kontakte und kommt als einzelner Sensor ebenso vor wie in Arrays mit Hunderten Bauelementen. Er entwickelt sich vor allem in Richtung besserer Performance, geringerer Systemgröße und niedrigerer Kosten, etwa durch Betrieb bei höheren Temperaturen. Verwendet werden vor allem Niob, Aluminium oder Titan. Zu den Fertigungsverfahren zählen Dünnschichtabscheidung durch Magnetronsputtern, Elektronenstrahl- und Photolithografie, Ionenätzen und Lift-off. Die Anwendungen gelten als nischenhaft, aber ausgereift, etwa in der Hirnbildgebung mittels MEG, in wissenschaftlichen Instrumenten und in Systemen zur Messung magnetischer Eigenschaften.

Was ist Quantencomputing und was kann es eigentlich?

Die Quantentechnologie wird als der nächste große Fortschritt angekündigt. Aber was bedeutet Quantentechnologie eigentlich? Wo liegen die Chancen und Risiken der neuen Technologie und wie sieht die Timeline bis zu ihrem Durchbruch aus?

Bei der Fertigung werden bei supraleitenden Chips für SQUIDs ähnliche Materialien und vergleichbare Mikrofertigungsprozesse eingesetzt, wie bei supraleitenden Qubits, und die meisten Qubit-Designs enthalten sogar ein SQUID oder ein ähnliches Bauelement. Während SQUID-Sensoren allerdings bereits eine ausgereifte Technologie mit begrenztem Optimierungspotenzial darstellen, befinden sich Quantencomputer noch in einer Phase rascher Entwicklung und Skalierung.

In supraleitenden Qubits werden Josephson-Effekte verwendet, um wohldefinierte Energieniveaus zu erzeugen, die als |0⟩- und |1⟩-Zustände dienen. Mikrowellenpulse ermöglichen die kohärente Manipulation dieser Zustände, während gekoppelte Resonatoren das Auslesen über dispersive Messverfahren erlauben. Ein supraleitender Quantenchip nutzt pro Qubit ein oder zwei präzise gefertigte Josephson-Kontakte, gekoppelt mit Induktivitäten, Kapazitäten und Mikrowellenresonatoren. Heute werden ungefähr hundert Qubits pro Chip erreicht, perspektivisch sollen es Tausende pro Chip und Millionen pro Gesamtsystem werden. Der Entwicklungsschwerpunkt liegt auf Gleichförmigkeit, Stabilität und Skalierbarkeit. Eingesetzt werden Aluminium, Niob und Tantal. Bei der Fertigung kommen Dünnschichtabscheidung, Lithografie, Ionenätzen und kontrollierte Oxidation zum Einsatz. Hinzu kommen fortgeschrittene Packaging-Ansätze wie Through-Silicon Vias, 3D-Packaging und Chiplets. Die Hardware ist bereits kommerziell verfügbar, muss jedoch weiterentwickelt werden, um von Use-Case-Tests zu echtem kommerziellem Vorteil zu gelangen.

Quantum Circuit Sim beschleunigt Quantenschaltungen

Keysight und Google Quantum AI stellen Quantum Circuit Quanten Simulation vor – die erste Schaltkreis-Umgebung mit Flussquantisierung im Frequenzbereich. Die Lösung soll einen neuen Standard für die Modellierung supraleitender Schaltungen setzen.

SNSPDs (Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors) arbeiten wiederum anders: Trifft ein einzelnes Photon auf einen supraleitenden Nanodraht, erwärmt es ihn lokal über die kritische Temperatur und zerstört so die Supraleitung. Dadurch entsteht ein messbarer Widerstandspuls. So lassen sich einzelne Photonen mit hoher Effizienz und Zeitauflösung nachweisen.

Gemeinsam ist all diesen Bauelementen, dass sie quantenmechanische Effekte auf makroskopischer Ebene nutzbar machen und sich dank mikroelektronischer Fertigungstechniken präzise, reproduzierbar und zunehmend skalierbar auf Chips integrieren lassen.

Diamant und NV-Zentren für Quantenanwendungen

Punktdefekte in künstlichem Diamant, insbesondere NV-Zentren (Stickstoff-Fehlstellen-Zentren), haben sich als vielversprechende Plattform für Quantentechnologien etabliert und werden sowohl in kommerziellen Quantensensoren als auch in ersten Quantencomputing-Ansätzen genutzt.

Diamant ist ein Wide-Bandgap-Material. Dadurch lassen sich gezielt Defektstellen im Kristallgitter erzeugen, die mit Laserlicht angeregt und über ihr ausgesandtes Licht wieder ausgelesen werden können. Bei NV-Zentren kommt hinzu, dass ihre Quantenzustände nur vergleichsweise schwach mit Gitterschwingungen koppeln. Deshalb bleiben die Spinzustände selbst bei Raumtemperatur relativ stabil. Unterstützt wird das durch die geringe Zahl magnetisch störender Atomkerne im Diamant sowie durch die schwache Spin-Bahn-Kopplung. Das bringt lange Kohärenzzeiten sowie wenig Störeinflüsse und damit gute Voraussetzungen für Sensorik und Quantenbauelemente mit sich.

Die Energieniveaustruktur der NV-Zentren erlaubt es zudem, den elektronischen Spin effizient optisch zu manipulieren und auszulesen, was sie besonders für Anwendungen in der Quantensensorik – etwa zur hochpräzisen Messung von Magnetfeldern – interessant macht. Gleichzeitig eröffnen Fortschritte in der Materialforschung weitere Perspektiven: Neben Diamant werden auch Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Quantenpunkte sowie zwei- und zweieinhalbdimensionale Materialien als potenzielle Träger von Quantenzuständen untersucht.

Potenziale und Herausforderungen von Quantensensoren

Quantensensoren ermöglichen es, physikalische Eigenschaften wie Zeit, Magnetfelder und Bewegung präzise zu messen. Obwohl sie deutlich empfindlicher als klassische Alternativen sind, gibt es bis zur Massenmarkt-Anwendung noch einige Herausforderungen.

Allerdings sind mit Diamant auch Herausforderungen verbunden. So führen Streuungen der emittierten Wellenlängen und Wechselwirkungen mit Phononen dazu, dass die erzeugten Photonen nicht vollständig identisch sind, was die quantenmechanische Ununterscheidbarkeit einschränkt – ein kritischer Punkt für photonische Quantenanwendungen. Zudem ist die Bearbeitung von Diamant deutlich anspruchsvoller als bei etablierten Halbleitern wie Silizium, und die Größe hochreiner Einkristalle war lange begrenzt, um 2020 typischerweise auf etwa 10 mm Kantenlänge. Daher werden auch alternative Wide-Bandgap-Materialien intensiv erforscht, wenngleich bislang keines die Kombination von Eigenschaften erreicht hat, die NV-Zentren in Diamant auszeichnet. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Idtechex.