Mikro- und Nanoelektronik für Quantentechnologien

Selten waren sich Experten so einig: Quantentechnologien haben das Zeug zum umfassenden »Game Changer«. Sie ermöglichen u.a. hochpräzise und leistungsfähige Sensorik, die in der Lage ist, Hirnströme genauer zu erfassen, das Spektrum der Mikroskopie zu erweitern oder physikalisch abhörsichere Kommunikationsverbindungen und neue Formen der Verschlüsselung aufzubauen. Quantencomputer sollen Probleme spielend lösen, an denen heutige Supercomputer scheitern. Damit könnte man anspruchsvolle Herausforderungen auf unterschiedlichsten Anwendungsfeldern wie Finanzdienstleistungen, Materialentwicklung, Logistik und Chemie auf bisher ungeahnte Weise angehen.

Erste Quantenrechner sind schon jetzt in der Lage, einfache Aufgaben zu bewältigen, leiden aber noch unter einigen "Kinderkrankheiten". So können etwa  externe Einflüsse wie Erschütterungen die High-Tech-Rechner aus dem Tritt bringen. Auch die Möglichkeit,  Qubits mit Hilfe elektromagnetischer Wellen auszulesen oder gar zu manipulieren, ist bislang eine offene Flanke des Quantencomputings.

Die meisten universellen Quantencomputer funktionieren aktuell nur unter speziellen Bedingungen im Labor. Sie benötigen eine Temperatur niedriger als im All, müssen fast auf den absoluten Nullpunkt von etwa minus 273 Grad herabgekühlt werden, arbeiten nur unter Vakuumbedingen und müssen elektromagnetisch abgeschirmt sein.

Der erste europäische Quantenrcomputer  IBM Q System One befindet sich am IBM-Standort im baden-württembergischen Ehningen. Mit seinen 27 Qubits gehört er zwar nicht zu den derzeit stärksten Systemen der Welt. Dafür ist er stabil genug für den industriellen Betrieb, während Anlagen mit mehr Qubits eher Testsysteme darstellen. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat seit Januar 2021 exklusiven Zugriff auf den Rechner.  Am 15. Juni 2021 wurde Q System One in einer feierlichen virtuellen Zeremonie eingeweiht. 

Noch gibt es also einige Herausforderungen für den Betrieb eines Quantencomputers - und genau hier kommt die Mikro- und Nanoelektronik als "enabler" ins Spiel: Denn wenn es gelingt, die Komponenten durch Skalierung, Miniaturisierung, Verringerung der Störanfälligkeit und Senkung der Kosten reif für den Einsatz in größeren Märkten und außerhalb von Laborumgebungen zu machen, steht dem Quantencomputing tatsächlich das Tor zur Welt offen. Das Fraunhofer EMFT fokussiert sich darauf, die Brücke zwischen Quantentechnologien und herkömmlicher Mikro- und Nanoelektronik zu schlagen.  Ziel der F&E-Arbeiten ist es,  Skalierbarkeit, Integrierbarkeit, und Einzeladressierbarkeit der Qubits zu optimieren. Perspektivisch soll so die Entwicklung von bis zu 1000 Qubit‐Systemen als Basis für Quantencomputer möglich werden.

Am Fraunhofer EMFT stehen Mikro- und Nanotechnologien zur Herstellung von Qubit-Chips und -Systemen mit dem Schwerpunkt Skalierung und Fertigung zur Verfügung. Mit Hilfe fertigungskompatibler Prozesstechnologien, beispielsweise zur Beschichtung und Strukturierung der Qubit-Chips, können supraleitende Quantenschaltkreise in größeren Mengen hergestellt werden. Perspektivisch könnte dies Quantencomputer der nächsten Generation mit bis zu 500 Qubits ermöglichen.

Durch modernste Integrationstechnologien wie heterogene 3D-Integration können die Qubit-Chips auf Wafer-Ebene integriert und miniaturisiert werden, um möglichst kleine, leistungsfähige und energie-effiziente Quantensysteme zu realisieren.

Die umfangreichen Test- und Analysemöglichkeiten am Fraunhofer EMFT ermöglichen Analyse und Test der Quanten-Chips bei Raumtemperatur sowie im 4K und 100mK Bereich, um die Qualität der Chips zu überprüfen und so die Fehleranfälligkeit des fertigen Systems zu reduzieren

Um die Hitze-Dissipation bei der Übertragung der Vielzahl von empfindlichen Signale zu minimieren, sind rauscharme, abgeschirmte Verbindungen essentiell wichtig. Am Fraunhofer EMFT können Rolle-zu-Rollehergestellte flexible rauscharme Verbindungen für Quantencomputer mit supraleitenden Materialien mittels Lithografie produziert werden, um Signalverluste zwischen den höchstintegrierten Qubit Chip-Systemen zu minimieren. Besonders interessant sind rauscharme Verbindungen für die Mikrowellen-Leitungen und supraleitende Verbindungen für die Reduktion der thermischen Ausstrahlung.

Zudem stehen am Fraunhofer EMFT die Kompetenzen und Möglichkeiten zum Design und Entwicklung von ASICs zur Verfügung, z.B. zur Signalverarbeitung mit integrierter Fehlerkorrektur und zur Realisierung einer On-chip-Architektur zur integrierten optisch/elektrischen Ansteuerung und Auslesung der Quantensysteme.

Das Fraunhofer EMFT ist ein Teil des Munich Quantum Valley (MQV)Das neue Zentrum für Quantenforschung und -technologien basiert auf einer Kooperation von universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen in Bayern.