Auf dem Weg zum Quantencomputer: Höhere Skalierbarkeit von supraleitenden Qubits

Quantencomputer sollen Aufgaben spielend lösen, an denen sogar heutige Super Computer scheitern. Doch bis die Rechengenies tatsächlich in der breiten Anwendung eingesetzt werden können, gilt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Im Rahmen des Munich Quantum Valley arbeiten Forschende des Fraunhofer EMFT daran, den Transfer von Quantentechnologien in die Industrie voranzutreiben. 

© Fraunhofer EMFT/ Bernd Müller
Resonatoren zur Materialanalyse für supraleitende Qubits auf 200 mm Wafer mit Nb-Beschichtung

Ein Fokus der Aktivitäten liegt darauf, die Skalierbarkeit und Stabilität von supraleitenden Qubits zu optimieren. Qubits sind die Grundeinheiten eines Quantencomputers und bestehen aus einer Josephson-Junction – einem hochpräzise gesetzten Supraleiter-Nichtleiter-Supraleiter Übergang in den Qubit-Schaltkreisen – und einem Resonator.

Sie sind in der Lage, für eine bestimmte Zeitspanne, der so genannten Koheränzzeit, eine Superposition einzugehen und damit alle möglichen Zustände gleichzeitig anzunehmen. Dies ermöglicht es dem Quantencomputer, alle möglichen Lösungswege gleichzeitig zu berechnen, was die Rechengeschwindigkeit drastisch erhöht. Allerdings kann der Quantencomputer nur innerhalb dieser Zeitspanne rechnen. Um die Kohärenzzeit zu verbessern und über einen möglichst langen Zeitraum stabil zu halten, setzen die Forschenden auf größtmögliche Homogenität bei der Herstellung. Je feiner die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt sind, desto länger ist die erreichbare Kohärenzzeit. Eine verbesserte Kohärenzzeit von supraleitenden Quantenschaltungen gilt als entscheidende Voraussetzung für den erfolgreichen industriellen Betrieb von Quantencomputern.

Eine weitere Herausforderung liegt darin, dass bei bisherigen Quantenrechnern auftretende Rauschen zu minimieren, das zu einer hohen Fehlerquote in den Berechnungen führen kann und die Leistungsfähigkeit deutlich reduziert. Das Problem: Die einzelnen Qubits sind extrem störanfällig, denn sie unterliegen thermischen, elektromagnetischen und sogar kosmischen Interferenzen und Phänomena, die zu Rauschen und damit Berechnungsfehlern führen. Um diese Schwankungen auszugleichen, müssen möglichst viele Qubits auf einem Chip möglichst dicht nebeneinander verschaltet werden und sich dabei trotzdem nicht gegenseitig beeinflussen. Im Moment liegt das Limit hier bei neun Qubits. Das Forschungsteam am Fraunhofer EMFT verfolgt den Ansatz, durch platzsparendes Design mittels Durchkontaktierung durch den 200mm Siliziumwafer (Through Silicon Vias, TSV) wesentlich mehr Qubits als bisher miteinander verschalten zu können.

Das Munich Quantum Valley wird vom Freistaat Bayern gefördert.

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Das Munich Quantum Valley (MQV)