Ein Halbleiter-Quantenprozessor „Made in Germany“

Das Rennen um den Bau von Quanten­computern ist im vollen Gange. In der Grund­lagen­forschung auf diesem Gebiet gehört Deutschland zur Weltspitze. Ein Zusammen­schluss des Forschungs­zentrums Jülich mit dem Halbleiter-Hersteller Infineon will die Ergebnisse nun gemeinsam mit Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft, der Leibniz-Gemeinschaft, den Universitäten in Regensburg und Konstanz sowie dem Quanten-Startup HQS in die Praxis bringen. Ziel ist ein Halbleiter-Quanten­prozessor „Made in Germany“, der auf dem „Shutteln“ von Elektronen basiert und mit in Deutschland verfügbarer Technologie realisiert werden soll. Das mit über 7,5 Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung geförderte QUASAR-Projekt soll in den nächsten vier Jahren die Grundlagen für die industrielle Fertigung der Quanten­prozessoren schaffen.

Noch ist offen, welcher Ansatz den Wettlauf zum Quanten­rechner für sich entscheiden wird. Versuche mit supra­leitenden Qubits sind am weitesten entwickelt. Auf ihnen beruhen zum Beispiel Googles Quantenchips und der experi­mentelle Quanten­computer im europäischen Quanten­flagg­schiff-Projekt, der in diesem Jahr am Forschungs­zentrum Jülich in Betrieb gehen soll. Doch wenn es um große Qubit-Zahlen geht, haben möglicher­weise Halbleiter-Qubits die Nase vorn.

„In Jülich untersuchen wir beide Qubit-Typen, Halbleiter und Supra­leiter. Starke Synergie­effekte gibt es beispiels­weise bei der Entwicklung von Quanten­software, der Bauteil-Entwicklung und deren Integration in experi­mentelle Rechner­architekturen“, sagt Wolfgang Marquardt, Vorstands­vorsitzender des Forschungs­zentrums Jülich. „Lang­fristig wollen wir in Jülich einen frei zugänglichen Quanten­computer für die Wissenschaft realisieren. Das QUASAR-Projekt ist für dieses Vorhaben ein wichtiger Schritt – in Kombination mit unseren weiteren Aktivitäten, etwa im europäischen Quanten-Flaggschiff oder bei der Erforschung von Quanten­materialien.“

Ein vielversprechendes System für Halbleiter-Qubits sind Elektronen­spin-Qubits in Silizium, weil sie vergleichs­weise stabile Quanten­eigen­schaften aufweisen und im Aufbau viel kleiner sind als supra­leitende Quantenbits. „Ein großer Pluspunkt ist: Die Herstellung ist in weiten Teilen kompatibel mit der Produktion von Silizium-Prozessoren. Das heißt, mit den Fertigungs­prozessen gibt es im Prinzip schon viel Erfahrung“, erklärt Projekt­leiter Hendrik Bluhm, Direktor am JARA-Institut für Quanten­information des Forschungs­zentrums Jülich. Beispiels­weise bei Infineon am Standort Dresden: Der deutsche Halb­leiter-Hersteller steht mit seinen Produktions­linien im Projekt Modell, um Anpassungs­möglich­keiten des Bauelemente-Designs für die industrielle Fertigung zu untersuchen.

„Es sind noch grund­legende Fragen zu klären. Quantenchips ließen sich bislang nicht so einfach hoch skalieren wie klassische Computer­chips. Ein Problem dabei waren geometrische Beschränkungen. Die Qubits müssen normalerweise sehr nahe beieinander liegen, um sie mitein­ander zu koppeln. Bisher wurden Halbleiter-Qubits daher vorrangig in Bauteilen demonstriert, die nicht mehr als zwei dicht neben­einander­liegende gekoppelte Qubits aufweisen. Für eine skalierbare Architektur benötigen wir dagegen mehr Platz auf dem Quantenchip, etwa für Zuleitungen und Kontroll­elektronik“, sagt Bluhm.

Um die Abstände zu vergrößern, haben die Forscher der JARA-Kooperation des Forschungs­zentrums Jülich und der RWTH Aachen gemeinsam mit weiteren Forschungs­partnern einen Quantenbus entwickelt. Dabei handelt es sich um spezielle Verbindungs­elemente, die es möglich machen, Distanzen von bis zu zehn Mikrometern zwischen den einzelnen Qubits effizient zu über­brücken. Die Quanten­information wird bei Silizium-Qubits durch den Spin von Elektronen kodiert, die in Quanten­punkten sitzen. Der Quantenbus ermöglicht es, die Elektronen auf den Quanten­punkten einzu­fangen und kontrolliert zu trans­portieren, ohne dass die Quanten­information verloren geht. Der Austausch der Elektronen wird auch als „Shutteln“ bezeichnet. Im Labor liefern Test­strukturen bereits viel­ver­sprechende Ergebnisse. Nun wollen die Forscher am FZ Jülich das Bauelement-Design an industrielle Herstellungs­prozesse anpassen.

„Eine Herausforderung hierbei ist etwa der geforderte Reinheits­grad, der für diesen Anwendungs­fall um einiges höher ist als für die Fertigung konven­tio­neller Computerchips“, erläutert Bluhm. „Ein weiterer offener Punkt ist die Miniaturi­sierung der Kontroll­systeme auf dem Chip. Grund­sätzlich sehen wir in diesem Ansatz aber ein großes Potenzial für komplexe Schaltungen. Millionen von Qubits sind realistisch.“

Bis Januar 2025 läuft das QUASAR-Projekt noch. Als nächster Schritt ist dann der Bau eines Demonstrators mit etwa 25 gekoppelten Qubits geplant, welcher in einem Nachfolge­projekt realisiert und über JUNIQ, die „Jülicher Nutzer-Infra­struktur für Quanten­computing“, mit Cloud-Zugang in die modulare HPC-Umgebung des Jülich Super­computing Centers eingebunden werden soll.

FZ Jülich / RK

Weitere Infos

• Projekt QUASAR – Halbleiter-Quantenprozessor mit shuttlingbasierter skalierbarer Architektur, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf
• JARA-Institut für Quanteninformation, Forschungszentrum Jülich