36 europäische Partner am Projekt „Arctic“ beteiligt

Löwen/Dresden, 12. August 2024. Damit tiefgekühlte Quantencomputer brauchbare fehlerarme Ergebnisse liefern, brauchen sie neben ihren Qubit-Schaltern auch klassische Ansteuer-Mikroelektronik, die auch bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt noch zuverlässig funktionieren. Ein europäisches Konsortium „Advanced Research on Cryogenic Technologies for Innovative Computing“ (Arctic) unter Führung des belgischen Elektronikzentrums Imec aus Löwen will bis 2027 eine neue Generation dieser Kryo-Chips entwickeln. Sächsische Ingenieure kümmern sich dabei um die Analyse und Qualitätssicherung der verwendeten Bauelemente. Dies geht aus einer Mitteilung des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) aus Dresden hervor.

Quantenrechner brauchen auch klassische Mikroelektronik – aber tiefgekühlt

Hintergrund: Als Codeknacker, für bestimmte Simulationen, astrophysikalische sowie genetische Analysen und andere ausgewählte Aufgaben sind Quantencomputer den herkömmlichen Digitalrechnern deutlich überlegen. Sie in jenem quantenphysikalischen Zustand zu halten, in dem sie auf einen Schlag mehrere Lösungswege auf einmal „ausprobieren“ können, ist jedoch immer noch aufwendig und kompliziert. Viele Hersteller setzen dafür auf Kerne, die mit flüssigem Helium auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt bei rund minus 273 Grad Celsius heruntergekühlt sind. Jede kleine Störung von außen und winzige Defekte im Material können während der Berechnungen zu Fehlern führen. Dazu tragen auch die Leitungen und Ansteuerelektronik bei, über die die Quantencomputerkerne mit der Außenwelt verbunden sind. Und eben diese Ansteuerung besteht meist aus klassischer Mikroelektronik, die eigentlich für Arbeitsumgebungen nahe der Zimmertemperatur entwickelt wurde. Von daher sind besondere Anpassungen und eine genaue Auslese nötig, damit diese Umfeld-Chips und -leitungen auch an Quantencomputern zuverlässig funktionieren.

Hohe Leistungsanforderungen

Und eben diese Technik wollen die Arctic-Partner auf eine neue Qualitätsstufe heben. „Die Leistungsanforderungen an elektronische Geräte und Schaltungen bei kryogenen Temperaturen sind ganz anders als bei Raumtemperatur“, betont Arctic-Wissenschaftschef Alexander Grill vom Imec in Löwen. „Insbesondere bei sehr empfindlichen Anwendungen wie Quantenprozessoren müssen alle Aspekte der mikroelektronischen Technologien optimiert werden.“

Photonikinstitut testet Messtechnik durch

In diesem Zuge konzentriert sich das Centrum für Nanoelektronik-Technologien (CNT) Dresden im IPMS auf Untersuchungen, Tests und Modelle für Transistoren, also Nanoschalter, sowie merkfähige ferroelektrische Speicher, die sich für tiefgekühle Quantencomputer eignen. Einen besonderen Schwerpunkt legen die sächsischen Fraunhofer-Ingenieure dabei auf die Chiptechnologie „X22FDX FDSOI“, die zum Beispiel „ST Microelektronics“ in Frankreich, aber auch Globalfoundries in Dresden einsetzen.

„Wir wollen neue Erkenntnisse über die energetische Position und die Anzahl der elektrischen Defekte in den Transistoren gewinnen“, betont Dr. Maik Simon von der CNT-Gruppe „Quantum Technologies“. „Dies wird es der Industrie ermöglichen, neue Kryo-Produkte anzubieten und Fraunhofer kann dazu einzigartige Charakterisierungsmethoden anbieten. Die Reduzierung des defektinduzierten Rauschens in der Elektronik ist ein wichtiger Faktor für die Erhöhung der Kohärenzzeit von Qubit-Zuständen, weshalb die entwickelten Methoden unmittelbar für kryogene Quantencomputing-Ansätze relevant sind.“

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: IPMS, Fraunhofer IAF, Oiger-Archiv

Beteiligt sind folgende Partner:

• Imec (Interuniversitair Micro-Electronica Centrum) als Koordinator)
• Incize
• Université Catholique de Louvain
• Besi Austria GmbH
• Global TCAD Solutions GmbH
• CSEM Centre Suisse d’Electronique et de Microtech (Associated)
• Diramics AG (Associated)
• Albis Optoelectronics AG (Associated)
• Fraunhofer-IPMS Dresden
• Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik (IAF) Freiburg
• Formfactor GmbH
• Infineon
• Technische Universität Braunschweig
• Supracon AG
• Nanolayers OU
• Bluefors Cryogenics OY
• IQM Finland OY
• Okmetic OY
• Picosun OY
• QuantrolOx Finland OY
• Teknologian Tutkimuskeskus VTT OY
• Semiqon Technologies OY (Partner, Horizon Europe)
• Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives
• STMicroelectronics France
• STMicroelectronics Crolles 2 SAS
• Quobly
• Intel Research and Development Ireland Limited
• University College Cork – National University of Ireland
• Single Quantum BV
• Technische Universiteit Delft
• Qblox BV
• Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO)
• Lunds Universitet
• C2Amps AB
• Nanoacademic Technologies Inc.

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