Der Halbleiter-Quantenchip der JARA-Kooperation des Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen ist das Ausgangsmodell für einen 25-Qubit-Prozessor. Bei Infineon werden die Anpassungsmöglichkeiten des Bauelemente-Designs für die industrielle Fertigung zu untersucht. Jülich Aachen Research Alliance (JARA)

Der Halbleiter-Quantenchip der JARA-Kooperation ist das Ausgangsmodell für einen industriell gefertigten 25-Qubit-Halbleiter-Prozessor. Bei Infineon werden die Anpassungsmöglichkeiten des Bauelemente-Designs für die industrielle Fertigung zu untersucht. (Bild: Jülich Aachen Research Alliance (JARA))

| von Martin Large

Das große Ziel Projekts Quasar ist ein Quantenprozessor Made in Germany auf der Basis von Halbleiter-Qubits – nicht von supraleitenden Qubits. Dafür soll das Quasar-Projekt die Grundlagen liefern: für einen Demonstrator mit 25 gekoppelten Halbleiter-Qubits. Er soll mit in Deutschland verfügbarer Technologie realisiert werden. Das Projekt wird mit über 7,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Noch ist offen, welcher technologische Ansatz sich auf dem Weg zum Quantenrechner durchsetzen wird. Supraleitende Qubits sind derzeit am weitesten entwickelt; bislang sind solche Quantencomputer mit Qubit-Zahlen von etwa 70, aber weniger als 100 realisiert. Ihr Nachteil ist die unter anderem die ausgesprochen aufwändige Kühltechnik für Temperaturen bis nahe an den absoluten Nullpunkt. Und wenn es um richtig große Qubit-Zahlen geht, im Millionenbereich, haben Halbleiter-Qubits möglicherweise auch die Nase vorn.

Quantencomputer – Einsatzmöglichkeiten und Marktpotenziale

In dieser Studie erläutert die Fraunhofer-Allianz ‚Big Data und Künstliche Intelligenz‘, wie Quantencomputer die Verfahren des Maschinellen Lernens beschleunigen können und welche Potenziale ihr Einsatz hat.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Quantenbusses. Er ermöglicht es, einzelne Elektronen mitsamt ihrer Quanteninformation über Distanzen von bis zu 10 Mikrometern zu transportieren. Die Technik beruht auf hintereinander geschalteten Elektroden, die die Quantenpunkte durch pulsierende Spannungen wie auf einem Förderband von einem Ende zum anderen bewegen. RWTH Aachen / Inga Seidler

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Quantenbusses. Er ermöglicht es, einzelne Elektronen mitsamt ihrer Quanteninformation über Distanzen von bis zu 10 Mikrometern zu transportieren. Die Technik beruht auf hintereinander geschalteten Elektroden, die die Quantenpunkte durch pulsierende Spannungen wie auf einem Förderband von einem Ende zum anderen bewegen. RWTH Aachen / Inga Seidler

Ein vielversprechendes System für Halbleiter-Qubits sind Elektronenspin-Qubits in Silizium, weil sie vergleichsweise stabile Quanteneigenschaften aufweisen. Ein großer Vorteil wäre zudem ihre Herstellung – die Technik dafür ist in weiten Teilen kompatibel mit der Produktion von Silizium-Prozessoren. Das Problem ist vielmehr das Design der Prozessoren: Bislang müssen die Qubits sehr nahe zusammenliegen, damit ihre Kopplung funktioniert – das aber schafft Platzprobleme auf dem Chip für die erforderlichen Zuleitungen und die Kontrollelektronik.

Um die Abstände der Qubits zu vergrößern, haben die Forscher der JARA-Kooperation – des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen – gemeinsam mit weiteren Forschungspartnern einen sogenannten Quantenbus entwickelt. Dabei handelt es sich um spezielle Verbindungselemente, die es möglich machen, Distanzen von bis zu 10 Mikrometern zwischen den einzelnen Qubits effizient zu überbrücken. Die Quanteninformation wird bei Silizium-Qubits durch den Spin von Elektronen kodiert, die in sogenannten Quantenpunkten – spezielle Halbleiterstrukturen im Nanobereich – sitzen. Der Quantenbus ermöglicht es, die Elektronen auf den Quantenpunkten einzufangen und kontrolliert zu transportieren, ohne dass die Quanteninformation verloren geht.

Vom Labor in die Fertigung

Dieser Austausch der Elektronen wird auch als ‚Shutteln‘ bezeichnet. Im Labor liefern Teststrukturen bereits vielversprechende Ergebnisse. Nun wollen die Jülicher Forscher das Bauelement-Design an industrielle Herstellungsprozesse anpassen. Dazu haben sie sich im Quasar-Projekt mit Infineon Dresden, dem auf quantenmechanische Materialsimulationen spezialisierten Startup HQS, Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS), Leibniz-Gemeinschaft (IHP, IKZ) sowie den Universitäten in Regensburg und Konstanz zusammengeschlossen. „Eine Herausforderung hierbei ist etwa der geforderte Reinheitsgrad, der für diesen Anwendungsfall um einiges höher ist als für die Fertigung konventioneller Computerchips“, erläutert Projektleiter Prof. Hendrik Bluhm, Direktor am JARA-Institut für Quanteninformation des Forschungszentrums Jülich. Ein weiterer offener Punkt ist die Miniaturisierung der Kontrollsysteme auf dem Chip, sagt Blum – aber: „Grundsätzlich sehen wir in diesem Ansatz ein großes Potenzial für komplexe Schaltungen. Millionen von Qubits sind realistisch.“

(dw)

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