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Quanten-Shuttle zum Quantenprozessor „Made in Germany“ gestartet

Jülich, 24. Februar 2021 – Das Rennen um den Quantencomputer ist im vollen Gange. In der Grundlagenforschung gehört Deutschland schon lange zur Weltspitze. Ein Zusammenschluss des Forschungszentrums Jülich mit dem Halbleiter-Hersteller Infineon will die Ergebnisse nun gemeinsam mit Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft (IAF, IPMS), der Leibniz-Gemeinschaft (IHP, IKZ), 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 (BMBF) geförderte QUASAR-Projekt will in den nächsten vier Jahren die Grundlagen für die industrielle Fertigung von Quantenprozessoren schaffen.

Halbleiter-Quantenchip der JARA-Kooperation des Forschungszentrum Jülich und der RWTH AachenHalbleiter-Quantenchip der JARA-Kooperation des Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen
Copyright: Jülich Aachen Research Alliance (JARA)

Quantencomputer haben das Potenzial, konventionelle Superrechner bei bestimmten Problemen weit zu übertreffen. Beispielsweise wenn es darum geht, Verkehrsströme in Metropolen zu steuern oder Materialien auf atomarer Ebene zu simulieren. Doch noch ist offen, welcher Ansatz den Wettlauf zum Quantenrechner für sich entscheiden wird. Versuche mit supraleitenden Qubits – so heißen die kleinsten Einheiten eines Quantencomputers – sind momentan 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 Prof. 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 Prof. 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.

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Hendrik BluhmProjektkoordinator Prof. Dr. Hendrik Bluhm (2. v. l.) am JARA-Institut für Quanteninformation
Copyright: Simon Wegener

„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 Hendrik Bluhm.

Um die Abstände 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

Der 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.

Quanten-Shuttle

Der sogenannte Quantenbus (QuBus) 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.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines 10 Mikrometer langen Quantenbusses. Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Quantenbusses. (Copyright: RWTH Aachen / Inga Seidler)

„Eine Herausforderung hierbei ist etwa der geforderte Reinheitsgrad, der für diesen Anwendungsfall um einiges höher ist als für die Fertigung konventioneller Computerchips“, erläutert Hendrik 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 rund 25 gekoppelten Qubits geplant, welcher in einem Nachfolgeprojekt realisiert und über die „Jülicher Nutzer-Infrastruktur für Quantencomputing“ (JUNIQ) mit Cloud-Zugang in die modulare HPC-Umgebung des Jülich Supercomputing Centers eingebunden werden soll.

Weitere Quanten-Projekte gestartet

Neben dem QUASAR-Projekt beteiligt sich das Forschungszentrum Jülich an weiteren Quantentechnologie-Projekten, die in den letzten Wochen und Monaten angelaufen sind. Im neuen QLSI-Projekt des europäischen Quantenflaggschiffs, das im September 2020 startete, entwickelt das Forschungszentrum Jülich gemeinsam mit Partnern des QUASAR-Projekts und weiteren europäischen Einrichtungen komplementär zu QUASAR eine industriekompatible Technologie für Halbleiter-Qubits, die anhand eines Demonstrators mit 16 Quantenpunkten demonstriert werden soll. Koordiniert wird das QLSI-Projekt vom französischen CEA-Leti. Infineon, die Fraunhofer Institute IAF und IPMS sowie das Leibniz Institut für Innovative Mikroelektronik und die Universität Konstanz sind ebenfalls an QLSI beteiligt.
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Gemeinsam mit weiteren deutschen Forschungseinrichtungen und Universitäten sowie Infineon ist das Forschungszentrum Jülich im Verbundprojekt GeQCoS an der Entwicklung eines verbesserten Quantenprozessors basierend auf supraleitenden Qubits beteiligt. Das vom BMBF mit 14,5 Millionen Euro geförderte Projekt startete im Februar 2021 und wird vom Walther Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften koordiniert. Zu den weiteren Partnern im Projekt zählen das Karlsruher Institut für Technologie, die Friedrich-Alexander Universität Erlangen Nürnberg die Technische Universität München sowie das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik.
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Das Verbundprojekt DAQC bringt Startups und Unternehmen mit Forschungseinrichtungen und Rechenzentren zusammen. Ziel ist die Herstellung und der Betrieb eines digital‐analogen Quantencomputers, sowie der dazugehörigen Kalibrier‐ und Steuertechnik. Das vom BMBF mit 12,4 Millionen Euro geförderte Projekt startete ebenfalls im Februar 2021 und wird vom Quanten-Startup IQM Germany GmbH koordiniert. Neben dem Forschungszentrum Jülich sind auch Infineon und das Startup Parity Quantum Computers aus Österreich sowie das Leibniz Rechenzentrum und die Freie Universität Berlin am Projekt beteiligt.
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Kurzdarstellung der Projektpartner im Verbundprojekt QUASAR

(„Halbleiter-QUAntenrozessor mit Shuttlingbasierter skalierbarer ARchitektur“)

HQS Quantum Simulations GmbH ist eine Ausgründung des KIT mit 18 Mitarbeitern und konzentriert sich auf quantenmechanische Materialsimulationen. HQS kooperiert mit Unternehmen wie BASF, BOSCH und Merck im Material- und Chemiebereich.

Das Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt Hardware für Quantentechnologie und elektronische Systeme. Die Kernkompetenzen reichen von Materialforschung, Design-, und Technologieentwicklung, der (kryogenen) Messtechnik bis hin zu Schaltungen und Systemen.

Das Leibniz Institut für Innovative Mikroelektronik (IHP) betreibt Forschung und Entwicklung zu siliziumbasierten Höchstfrequenz-Schaltungen und Technologien einschließlich neuer Materialien. Es bietet über seine 200-mm-Linie auch Prototypenfertigung an.

Das Leibniz Institut für Kristallzüchtung (IKZ) ist auf die Züchtung von Massivkristallen, epitaktischen Dünnschichten und Nanostrukturen spezialisiert. Hervorzuheben ist die Entwicklung und Charakterisierung von isotopenreinen 28Si-Kristallen.

Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG gilt mit rund 2.700 Mitarbeitern als einer der modernsten und größten Halbleiterentwicklungs- und -fertigungsstandorte in Deutschland. Infineon Dresden verfügt über zwei hochautomatisierte Produktionslinien, die rund 50 verschiedene Technologien abdecken. Der Konzern Infineon befasst sich strategisch mit Post-Quantum-Kryptografie sowie mit unterschiedlichen Quantenhardwarekonzepten wie Ionenfallen, Supraleitern und Ansätzen, die auf SiGe-Quantentöpfen beruhen. Letztere werden am Standort Dresden untersucht.

Das Fraunhofer IPMS-CNT beschäftigt sich mit innovativen Bauelementen und Technologien mit dem Ziel, diese in CMOS-Plattformen zu integrieren. Es verfügt über mehr als 40 Prozessanlagen nach Industriestandard und umfassende Analytik sowie eine enge Anbindung an die Fertigungslinien von industriellen Projektpartnern.

Das JARA-Institut für Information (JARA) hat Standorte am Forschungszentrum Jülich und an der RWTH Aachen. Die von Prof. Hendrik Bluhm und Dr. Lars Schreiber geleitete experimentelle Arbeitsgruppe hat langjährige Erfahrung in der Herstellung, kohärenten Manipulation und Modellierung von Halbleiter-Qubits. Einer der Forschungsschwerpunkte liegt in deren Skalierbarkeit.

Der von Prof. Guido Burkard geleitete Lehrstuhl für die Theorie der kondensierten Materie und Quanteninformation der Universität Konstanz forscht seit langem auf den Gebieten Quantencomputing in Festkörpersystemen, insbesondere Spins in Halbleitern, sowie zweidimensionale Materialien.

Die Gruppe "Epitaxial Nanostructures" von Prof. Dominique Bougeard an der Universität Regensburg erforscht Quanteneffekte in Halbleiter-Nanostrukturen. Schwerpunkte liegen in der Molekularstrahlepitaxie von 28Si/SiGe-Heterostrukturen und des Quantentransports mit Spin-Qubits.

Förderung QUASAR-Projekt

Zuwendungsgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderprogramm Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt
Förderkennzeichen des Forschungszentrums Jülich: 13N15652

Halbleiter-Quantenchip der JARA-Kooperation des Forschungszentrum Jülich und der RWTH AachenHalbleiter-Quantenchip der JARA-Kooperation des Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen
Copyright: Jülich Aachen Research Alliance (JARA)

Weitere Informationen:

Pressemitteilung, Infineon, 24. Februar 2021

Projektsteckbrief QUASAR

Dossier: Quantentechnologie

JARA-Institut für Quanteninformation

Bildnutzung: Die in dieser Pressemitteilung enthaltenen Bildern dürfen, sofern nicht anders vermerkt, mit Quellenangabe für die anlassbezogene Berichterstattung verwendet werden.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Hendrik Bluhm (Projektkoordination)
Leiter des JARA-Instituts für Quanteninformation (PGI-11)
Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 241 80-27110
E-Mail: h.bluhm@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Unternehmenskommunikation
Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de