News | 01-03-2021

Mehrgleisiger Ansatz in der Entwicklung des Quantencomputing

Die Infineon Technologies AG treibt den Fortschritt dieser des Quantencomputing als Basis künftiger Supercomputer auf drei Wegen voran. Jetzt beteiligt das Unternehmen als industrieller Partner an weiteren nationalen und europäischen Förderprojekten.

Gatterstruktur eines Quantenbusses auf Siliziumbasis zur Übertragung von Quanteninformation (Bild: Infineon)

Der technologische Wettlauf um die bessere Quantencomputing-Technologie ist noch offen. Im Wesentlichen verfolgen Wissenschaftler drei Wege zur physikalisch technischen Umsetzung der entscheidenden Grundelemente, der Qubits: supraleitende Qubits, Ionenfallen-basierte Qubits und Silizium-basierte Spin-Qubits.

Infineon forscht und entwickelt an allen drei Lösungsansätzen mit dem Potenzial für die industrielle Umsetzung. Sie bringt ihre Halbleiter- und Industriekompetenz in mehre Konsortien zur Quantentechnologie ein, unter anderem in die Förderprojekte „Geqcos“ für supraleitende Qubits und „Piemons“ für Ionenfallen-basierten Quantencomputern. Jetzt arbeitet das Unternehmen auch am „Quasar“-Projekt mit, das auf Silizium-basierte Spin-Qubits setzt. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ gefördert (Förderkennzeichen: 13N15656).

Quasar will in den nächsten vier Jahren Grundlagen für die industrielle Fertigung von Quantenprozessoren schaffen. Ziel ist ein Halbleiter-Quantenprozessor, der auf dem Austausch von Elektronen („Shuttle“) basiert und mit in Deutschland verfügbarer Technologie realisiert werden soll.

Dafür arbeiten Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, von Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft und der Leibniz-Gemeinschaft, der Universitäten in Regensburg und Konstanz, des Quanten-Start-ups HQS sowie von Infineon Dresden zusammen. Die Projektkoordination liegt beim Forschungszentrum Jülich.

 

Der Vorteil Silizium-basierter Spin-Qubits

Claus Dahl, Director Automotive Sense and Control bei Infineon Dresden, äußert: „Ein wesentlicher Vorteil der Silizium-basierten Spin-Qubits: Sie sind robust und schnell und weisen gleichzeitig ein hervorragendes Skalierungspotenzial auf.“

Bei Silizium-basierten Qubits wird die Quanteninformation durch den Spin von Elektronen kodiert. Diese Elektronen sitzen an sogenannten Quantenpunkten, an speziellen Halbleiterstrukturen im Nanometerbereich. Für die Wechselwirkung zwischen den Qubits sollen neuartige Verbindungselemente zum Einsatz kommen.

Diese so genannten Quantenbusse ermöglichen prinzipiell, die Elektronen kontrolliert über Distanzen von bis zu zirka 10 Mikrometern zu transportieren, ohne dass die Quanteninformation verloren geht. In Zusammenarbeit mit Quantenwissenschaftlern der RWTH Aachen hat Infineon bereits prozesstechnische Ansätze für eine skalierbare Architektur für entsprechende Quantenprozessoren erarbeitet.

Darüber hinaus beteiligt sich Infineon Dresden an dem Projekt „Quantum Large-Scale Integration with Silicon“ (QLSI) des europäischen Quantenflaggschiffs, das im September 2020 startete. Gemeinsam mit Partnern des QUASAR-Projekts und weiteren europäischen Einrichtungen erforscht Infineon einen industriekompatiblen Fabrikationsansatz für Halbleiter-Qubits. Koordiniert wird das QLSI-Projekt vom französischen Forschungsinstitut für Elektronik und Informationstechnologie CEA-Leti.

„In enger Zusammenarbeit zwischen akademischer und industrieller Forschung wollen wir in diesen Projekten die Qualität bei der Herstellung von Quantenbauelementen auf ein industriekompatibles Niveau heben. Denn nur durch die weitgehende Verwendung von industriellen Standardprozessen der CMOS-Technologie können die Herausforderungen in der Prozessintegration bei der Hochskalierung zum komplexen Produkt gemeistert werden“, sagt Dahl.

 

Weichenstellung für europäisches Wertschöpfungspotenzial

„Wenn wir in Deutschland und Europa bei dieser Zukunftstechnologie nicht allein von amerikanischem oder asiatischem Know-how abhängig werden wollen, müssen wir jetzt mit der Industrialisierung voranschreiten“, mahnt Sebastian Luber, Senior Director Technology & Innovation bei Infineon. Noch stehen das Quantencomputing und seine breitere Anwendung am Anfang. Jetzt werden die Weichen gestellt, wer im technologischen Wettbewerb mit eigenem Know-how der Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft eine neue Dimension eröffnet.

Das Wertschöpfungspotenzial der Anwendung von Quantencomputing liegt um ein Vielfaches höher als in der Technologie selbst. Die Forschungsvorhaben von Infineon tragen maßgeblich dazu bei, den Grundstein für die Umsetzung der aktuellen Bundesinitiative zum Bau eines Quantencomputers „Made in Germany“ zu legen.

 

Partner des Quasar-Projektes

  • 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 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 betreibt Forschung und Entwicklung zu Silizium-basierten Höchstfrequenz-Schaltungen und Technologien einschließlich neuer Materialien. Es bietet über seine 200-mm-Linie auch Prototypenfertigung an.
  • Das Leibniz Institut für Kristallzüchtung 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, welche 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 SieGe-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 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 Professor 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" der Universität Regensburg (UR) um Professor Dominique Bougeard erforscht Quanteneffekte in Halbleiter-Nanostrukturen. Schwerpunkte liegen in der Molekularstrahlepitaxie, der Nanooptik und elektrischen, Quantentransport und insbesondere 28Si/SiGe-basierten Hybridstrukturen sowie Spin-Qubits.

 

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