Technologie

Ein Halbleiter-Quantenprozessor „Made in Germany“

02.03.2021 - Projekt QUASAR soll die Grundlagen für eine industrielle Fertigung der Quantenprozessoren schaffen.

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

 

Virtuelle Jobbörse auf den WIN>DAYS

Die Beratungsfirmen Senacor Technologies sowie Horn & Company und das Unternehmen ZEISS präsentierten im Rahmen der diesjährigen WIN>DAYS Karrieremöglichkeiten in ihrem Unternehmen.

Jetzt Aufzeichung ansehen

Sauberes, trockenes Vakuum für Labore, Analytik, Forschung & Entwicklung

Viele Anwendungsbereiche erfordern es, dass Vakuum ölfrei und sehr sauber erzeugt wird. Hierzu eignen sich Membranpumpen, die zudem sehr unempfindlich sind und sich durch die kompakte Bauweise auch gut in kleine Analysesysteme, Massenspektrometer oder Turbopumpstände integrieren lassen. Diese besonderen Anforderungen erfüllt die neue Membranpumpe MVP 030-3 C DC von Pfeiffer Vacuum und bringt dabei noch weitere wertvolle Eigenschaften mit wie eine sehr gute Chemikalien- und Kondensat-Verträglichkeit.

Mehr Informationen

Virtuelle Jobbörse auf den WIN>DAYS

Die Beratungsfirmen Senacor Technologies sowie Horn & Company und das Unternehmen ZEISS präsentierten im Rahmen der diesjährigen WIN>DAYS Karrieremöglichkeiten in ihrem Unternehmen.

Jetzt Aufzeichung ansehen

Sauberes, trockenes Vakuum für Labore, Analytik, Forschung & Entwicklung

Viele Anwendungsbereiche erfordern es, dass Vakuum ölfrei und sehr sauber erzeugt wird. Hierzu eignen sich Membranpumpen, die zudem sehr unempfindlich sind und sich durch die kompakte Bauweise auch gut in kleine Analysesysteme, Massenspektrometer oder Turbopumpstände integrieren lassen. Diese besonderen Anforderungen erfüllt die neue Membranpumpe MVP 030-3 C DC von Pfeiffer Vacuum und bringt dabei noch weitere wertvolle Eigenschaften mit wie eine sehr gute Chemikalien- und Kondensat-Verträglichkeit.

Mehr Informationen