Was kommt nach Nano in der Mikroelektronik?

Die klassische Mikroprozessortechnologie stößt zunehmend an physikalische und wirtschaftliche Grenzen. Je kleiner Strukturen auf dem Chip werden, desto stärker treten Effekte auf, die sich mit klassischen Modellen nur noch unzureichend beschreiben lassen. Genau dort setzen Nano- und Quantentechnologien an. Sie nutzen Phänomene, die lange vor allem als Störfaktoren galten – und könnten damit Sensorik, Datenverarbeitung und Materialentwicklung grundlegend verändern. Neben Quantensensoren gibt es bereits erste Quantencomputer. Wo aber steht die Technologie wirklich, wann und wie kann sie praktischen Nutzen stiften?

„Mikro“ steht für etwas sehr Kleines. Das kennt man bereits vom Mikroskop. Als Längenmaß steht 1 Mikrometer für 10⁻⁶ Meter, also ein Millionstel Meter beziehungsweise ein Tausendstel Millimeter. Die Mikroelektronik hat ihren Namen von der Strukturbreite, also der Breite der kleinsten Strukturen, die in einem Siliziumkristall hergestellt werden können und die gegen Ende der 1980er Jahre die bis dahin als magisch geltende Grenze von 1 µm unterschritten hat.

Warum die Halbleiterentwicklung an physikalische Grenzen stößt

Seither sind diese Strukturbreiten noch einmal erheblich geschrumpft. Aktuelle Prozessgenerationen werden mit Bezeichnungen wie 2 nm angekündigt, auch wenn solche Knotenbezeichnungen heute nicht mehr unmittelbar einer einzelnen physikalischen Strukturbreite entsprechen. Wenn man bei Siliziumatomen von einem Atomradius von knapp 0,15 nm ausgeht, wird dennoch deutlich, wie eng es auf modernen Halbleitern inzwischen zugeht. Zudem ist der Bewegungsraum für freie Leitungselektronen massiv eingeschränkt. Bei Mikroprozessoren bedeutet die abnehmende Möglichkeit, Strukturbreiten weiter zu senken, das Ende der bisherigen rasanten, vor allem auf Miniaturisierung basierenden Entwicklung.

Wie sich Halbleiter wandeln und warum Photonik unvermeidlich wird

Die Halbleiterindustrie tritt 2026 in eine neue Phase ein: Speicher wird strategisch, Packaging systemkritisch, Photonik unvermeidlich – und Quantenhardware rückt näher an praktische Anwendungen. Wohin geht die Reise in genau? Unternehmen geben Antwort.

Nicole Ahner

„Nano“ ist die vom altgriechischen Wort „Nános“ für „Zwerg“ abgeleitete Vorsilbe für 10⁻⁹ oder ein Milliardstel. Ab etwa 100 nm Größe stellen sich bereits quantenphysikalische Effekte ein. Die Materieteilchen weisen sowohl Partikel- als auch Wellencharakter auf. Ihre Eigenschaften lassen sich nur mit Wahrscheinlichkeiten beschreiben. Zudem kann eine Messung den Zustand eines Quantensystems beeinflussen, etwa durch die Wechselwirkung mit Lichtteilchen, die bei der Messung verwendet werden.

Diese Eigenschaften nutzt man in der Nanotechnik zum Anfertigen kleinster mechanischer Strukturen. Zu den industriellen Anwendungen gehören etwa schmutzabweisende und selbstreinigende Beschichtungen. Auch Implantate aus Nanoröhren mit nur wenigen Nanometern Innendurchmesser stehen bereits an der Schwelle von der Forschung zum realen medizinischen Einsatz.

Wie Nanoeffekte die Quantentechnologie ermöglichen

Für die Elektronikindustrie geht es dabei längst nicht allein um kleinere Strukturen. Entscheidend sind neue Sensorprinzipien, präzisere Messtechnik, neue Materialien und langfristig auch Rechenarchitekturen, die bestimmte Aufgaben deutlich effizienter lösen können. Aufgrund der Quanteneigenschaften subatomarer Teilchen eröffnet die Beherrschung der Halbleitertechnologie bis weit in den Sub-Nano-Bereich enorme neue Möglichkeiten. Vor allem lassen sich Kohärenz und Verschränkung, also zusammenhängende Zustände und Zustandsänderungen getrennter Teilchen ohne zeitlichen Versatz, nutzen, um eine Vielzahl an Operationen in einem Zug quasi parallel auszuführen.

Der Quantenmechanik zufolge weist jedes Teilchen auch Eigenschaften einer Welle auf. Bei hinreichend tiefen Temperaturen überlappen die Materiewellen der einzelnen Atome, sodass diese gewissermaßen zu einem einzigen Quantensystem verschmelzen. Durch gezieltes Variieren der Wechselwirkungen zwischen den Atomen lassen sich deren Eigenschaften steuern, etwa durch das Anlegen eines Magnetfeldes oder mithilfe von Laserstrahlen.

Manche Messgeräte nutzen bereits heute Quanteneigenschaften, etwa Atomuhren, supraleitende Quanteninterferenzgeräte und die Kernspinresonanzspektroskopie. In der Sensorik gibt es bereits Entwicklungen, die mittels Photonik und Quantenoptik die Leistung klassischer Verfahren bei der Messung physikalischer Größen übertreffen. So nutzt die photonische Quantensensorik Eigenschaften der Quantenmechanik wie Quantenverschränkung, Quanteninterferenz und Quantenzustandsverkleinerung, um äußerst präzise Messungen durchzuführen.

Dabei muss die Problemstellung von zwei Seiten her angegangen werden: Zunächst gilt es, Quellen für verschränkte Quanten zu entwickeln. Dann geht es darum, mithilfe der Eigenschaften dieser verschränkten Quanten neue Quantenmessungen zu entwickeln und so neue Anwendungen zu erschließen. Diese finden sich auf vielfältigen Gebieten, von der Kommunikationstechnologie über die Messung elektrischer und magnetischer Felder bis zu geophysikalischen Forschungsbereichen wie der Mineraliensuche und der Seismologie. In der Praxis könnten Quantensensoren etwa extrem schwache Magnetfelder erfassen, Materialfehler detektieren, Navigationssysteme unabhängiger von Satellitensignalen machen oder geologische Strukturen präziser untersuchen.

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

In der industriellen Automatisierung wird der Technologie großes Potenzial zugesprochen. Dort soll etwa die höhere Messdatenqualität ermöglichen, Fertigungsprozesse und damit Endprodukte noch wirtschaftlicher und zugleich nachhaltiger zu gestalten. Einige Hersteller haben bereits erste Produkte auf den Markt gebracht.

Welche Materialien Nano- und Quantentechnologien voranbringen

Um verlässlicher zu besseren und vor allem berechenbareren Ergebnissen zu gelangen, ist auf diesem Gebiet aktuell eine Umstellung von Silizium auf andere Materialien im Gang. Dabei spielen vor allem Nanopartikel mit einer größtenteils kristallinen Struktur, sogenannte Nanokristalle, eine entscheidende Rolle. Da viele elektrische und thermodynamische Eigenschaften dieser Materialien von der Größe der Kristalle abhängig sind, lassen sich diese durch präzise Verarbeitung des Materials steuern.

Meist wird mit folgenden Materialien gearbeitet: Diamanten, die aus synthetischer Produktion stammen, um ihre Materialeigenschaften steuern zu können, oder Nanokristalle aus Halbleitern, zum Beispiel Siliziumcarbid-Kristalle. Forscher und Grundlagenentwickler arbeiten darüber hinaus auch mit speziell entwickelten Molekülen. Zusätzlich sind intermetallische Nanokristalle Gegenstand intensiver Forschung, etwa an der ETH Zürich. Bei diesen Kristallen bilden zwei verschiedene Metalle ein gemeinsames Kristallgitter. Das verspricht leistungsstarke und einzigartige Anwendungen, nicht zuletzt auch in der Elektronik.

Warum Quantencomputer noch vor großen Herausforderungen stehen

Viele sehen eine mögliche Zukunft der elektronischen Datenverarbeitung im Quantencomputing. Dazu nutzen Quantencomputer Quantenbits, kurz Qbits. Diese können die Zustände 0 und 1 durch quantenmechanische Überlagerung gleichzeitig repräsentieren. Dadurch können Quantencomputer bei bestimmten Problemklassen perspektivisch deutlich leistungsfähiger sein als klassische Rechner. Das bietet die Möglichkeit, ausgewählte Berechnungen und Simulationen wesentlich schneller oder genauer durchzuführen als mit klassischen Computertechnologien.

Allerdings gibt es auf dem Weg zu industriell nutzbaren Geräten erhebliche Hürden. Viele aktuelle Quantencomputer brauchen Supraleiter und müssen daher derzeit mit hohem Aufwand auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden. Das macht sie groß und teuer, sodass sie sich vorerst vor allem für ausgelagerte Aufgaben eignen und weniger für Anwendungen direkt in Geräten und Maschinen.

Da Messungen an Quantensystemen probabilistische Ergebnisse liefern, müssen Quantenalgorithmen und Fehlerkorrektur darauf ausgelegt sein, mit Wahrscheinlichkeiten und Störeinflüssen zuverlässig umzugehen. Hinzu kommen die Effekte der Heisenbergschen Unschärferelation, nach der zwei komplementäre Eigenschaften eines Quantensystems nicht gleichzeitig scharf definierte Werte haben können. Als eines der größten Hindernisse beim Quantencomputing gilt die hohe Fehleranfälligkeit. Denn dieselben Qbits, die zur Bildung von Schaltkreisen miteinander interagieren müssen, müssen gegen jeden äußeren Einfluss abgeschirmt werden, um sicher im Überlagerungszustand zu bleiben.

Welche Ansätze die Forschung am Quantencomputing verfolgt

Den Umgang damit müssen die Entwickler einsatztauglicher Gesamtlösungen aus Hard- und Software, aber auch deren Anwender, erst erlernen. Wenig überraschend wird die Nutzung von Quanteneffekten für die zukünftigen Herausforderungen der Datenverarbeitung daher so intensiv beforscht wie kaum ein anderes Gebiet der Technik. Wichtige Schwerpunkte bilden dabei die Miniaturisierung der Prozessoren und die Absicherung stabiler, zuverlässiger Berechnungsergebnisse.

Für die technische Umsetzung von Qbits für Quantencomputer gibt es zahlreiche, technologisch sehr unterschiedliche Ansätze, etwa auf Basis von Photonen, Neutralatomen oder gefangenen Ionen. Deren spezifische Eigenschaften machen sie für bestimmte Anwendungen mehr oder weniger attraktiv.

Ein vielversprechender Ansatz nutzt den Eigendrehimpuls, also den Spin, von freien Elektronen, die in die Struktur bestimmter Kristalle eingebettet sind, als Qbit. Die Kopplung der Qbits an Symmetrien schützt deren quantenmechanischen Zustand und erhöht dadurch ihre Stabilität. Ein anderer, skalierbarer Lösungsansatz mit zahlreichen direkt in kristalline Kohlenwasserstoff-Verbindungen eingebetteten Qbits soll es Quantencomputern ermöglichen, mithilfe von Korrektur-Algorithmen Fehler selbst zu berichtigen. Andere Quantencomputer bringen Neutralatome in den Rydberg-Zustand, in dem das äußerste Elektron extrem weit vom Atomkern entfernt ist. So können Rydberg-Atome auch über benachbarte Atome hinweg miteinander in Wechselwirkung treten.

Warum Nano- und Quantentechnologien die Industrie verändern werden

Noch ist nicht klar, welche Architekturen für Quantencomputer sich letztlich durchsetzen werden oder ob sich auf Dauer verschiedene Technologien für unterschiedliche Anwendungen etablieren. „Alles deutet darauf hin, dass die genannten Hürden zu überwinden sind“, sagt Christian Reinwald, Head of Product Management und Marketing bei reichelt elektronik. „In Zukunft werden Quantencomputing wie Quantensensorik so selbstverständlich sein wie siliziumbasierte Prozessoren es heute sind.“

Diese Einschätzung ist optimistisch, passt aber zum hohen Tempo der Forschung und zu den ersten marktnahen Anwendungen in der Sensorik. Erste Produkte und Demonstratoren zeigen, dass Nano- und Quantentechnologien den Sprung aus dem Labor begonnen haben. Bis daraus breit verfügbare Industriestandards werden, sind jedoch noch Fragen zu Skalierung, Kosten, Stabilität und Integration in bestehende Systeme zu lösen.