Leistungsfähigkeit von Quantencomputern Bessere Infrastruktur für tiefgekühlte Quantenprozessoren

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Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Cadlog Group

In einem von der EU geförderten Projekt entwickeln Partner aus Industrie und Forschung eine skalierbare Steuerungsinfrastruktur für Quantenprozessoren. Ziel ist es, diese bei extrem tiefen Temperaturen betreiben zu können.

Damit Quantencomputer funktionieren können, ist ein enormer Aufwand an Steuerung und Schnittstellen notwendig. Quantencomputern basierend auf Qubits, die in einem Kryostaten nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben werden. Allerdings ist die Anzahl der möglichen Signalleitungen limitiert, die von den Maschinen in die Kryostaten geführt werden können. Dies bedingt sich durch den begrenzten Raum, die Wärme, welche durch die Drähte transportiert wird, und durch die Signalintegrität aufgrund der Länge der vorhandenen Drähte.

„Die Leistungsanforderungen an elektronische Geräte und Schaltungen bei kryogenen Temperaturen sind ganz anders als bei Raumtemperatur. Insbesondere bei sehr empfindlichen Anwendungen wie Quantenprozessoren müssen alle Aspekte der mikroelektronischen Technologien optimiert werden“, sagt Alexander Grill, wissenschaftlicher Leiter von „ARCTIC“ (Advanced Cryogenic Technologies for Innovative Computing) am imec. Die erwarteten Projektergebnisse werden als wichtige Weichenstellung für stark nachgefragte Technologien angesehen, die bestehende Probleme in Bereichen wie der computergestützten Chemie, den Biowissenschaften sowie der für den Datenschutz und die Cybersicherheit erforderlichen Kryptographie lösen können.

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Steuerungsinfrastruktur für kryogene Quantenprozessoren

Das Projekt „ARCTIC“ (Advanced Cryogenic Technologies for Innovative Computing) repräsentiert einen bedeutenden Schritt in der europäischen Quantencomputerforschung, insbesondere bei der Steuerungsinfrastruktur für kryogene Quantenprozessoren. Dieses Projekt bringt 36 Partner aus Industrie, Wissenschaft und führenden Forschungseinrichtungen zusammen, um eine skalierbare, zuverlässige und innovative Steuerungsinfrastruktur zu entwickeln, die essenziell für den Betrieb von Quantencomputern in extrem niedrigen Temperaturen ist.

Das Fraunhofer IPMS, einer der Schlüsselpartner im Projekt, konzentriert sich auf die Charakterisierung und Modellierung von Transistoren und Speicherelementen bei kryogenen Temperaturen. Ziel ist es, neue Erkenntnisse über die energetische Lage und die Anzahl elektrischer Defekte in Transistoren zu gewinnen. Diese Forschung ist von zentraler Bedeutung, da die Verringerung des Defektrauschens in der Elektronik die Kohärenzzeit von Qubit-Zuständen verlängern kann, was direkt zur Leistungsfähigkeit von Quantencomputern beiträgt.

Besserer Speicher benötigt weniger Energie

Das Center Nanoelectronic Technologies (CNT) am Fraunhofer IPMS beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Modellierung von bipolaren und CMOS-Transistoren sowie Speicherelementen bei kryogenen Temperaturen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Hochfrequenz-, Rausch- und Defektcharakterisierung und Modellierung kommerzieller Transistoren innerhalb der 22FDX FDSOI-Technologie sowie der Entwicklung optimierter nichtflüchtiger ferroelektrischer Speicher. Hierfür ist es entscheidend, die Charakterisierungsmethoden in kryogener Umgebung und auf Waferlevel zu verbessern und ein tiefes Verständnis dafür zu entwickeln, wie sich Feldeffekttransistoren und Speicherbauelemente bei untypisch niedrigen Temperaturen verhalten.

Das ARCTIC-Projekt hat das Potenzial, den Grundstein für eine vollständig europäische Versorgungskette im Bereich der kryogenen Quantenprozessoren zu legen und damit Europas Position im globalen Wettbewerb um die Quantenüberlegenheit zu stärken. Die finanziellen Mittel der EU und die Mitwirkung namhafter Forschungseinrichtungen wie dem Fraunhofer IPMS verdeutlichen die strategische Bedeutung dieses Vorhabens.

Periphere Bauelemente für kryogene Quantenprozessoren

Die Charakterisierung elektronischer Bauelemente ist ebenso wichtig wie zeitaufwendig, insbesondere wenn es sich um kryogene Messungen und Charakterisierungen mit langen Abkühl- und Aufheizzeiten handelt. Das Fraunhofer IAF spielt in diesem Projekt eine Schlüsselrolle, indem es mit einem automatisierten kryogenen Full-Wafer-Prober die Charakterisierung von Peripheriegeräten für kryogene Quantenprozessoren auf Wafern im Industriemaßstab ermöglicht.

Das Fraunhofer IAF verfügt nicht nur über umfangreiche Kenntnisse in der Charakterisierung von Halbleiterbauelementen für Forschung und Entwicklung bis hin zu industriellen Tests an Wafern von 200 und 300 mm, sondern ist auch einer der wenigen europäischen Anbieter eines solchen Tieftemperatur-Testaufbaus bei unter zwei Kelvin. Dieses fundierte Wissen über die Charakterisierung kryogener Komponenten und die statistische Variabilität von Schlüsseltechnologien wird ein wesentlicher Bestandteil von ARCTIC sein und dazu beitragen, die industrielle Erprobung kryogener Technologien, die für die Skalierung von Quantencomputern notwendig sind, zu beschleunigen. (heh)

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