Kompetenzen des Fraunhofer IAF im Quantencomputing

Am Fraunhofer IAF forschen wir im Bereich der spintronischen und supraleitenden Qubits für das Quantencomputing. Unser Ziel ist es, Fortschritte in der Performance von verschränkten Qubits und Quantenspeichern beizusteuern, mit neuartiger Quanten-Hardware die erreichbaren Rechenzeiten von Quantencomputern zu erhöhen und ihre Fehlerraten zu reduzieren. Darüber hinaus entwickeln wir mit unseren Partnern anwendungsorientierte Quantenalgorithmen und Quantensoftware.

Dabei decken wir die gesamte Wertschöpfungskette ab: von der Entwicklung neuartiger Materialstrukturen und Prozesstechnologien über die begleitende Analytik bis hin zu neuartigen Aufbau- und Verbindungstechniken sowie zur Demonstration leistungsfähiger Quantenspeicher und prozessierender Komponenten.

Isotopenkontrollierte Synthese von Halbleitern mit großer Bandlücke

Für die Bauelemente-Entwicklung spielt die Materialsynthese von Halbleitern mit großer Bandlücke (Diamant oder SiC) eine entscheidende Rolle. Durch die Synthese mittels Plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (PECVD) ist es möglich, maßgeschneiderte Materialeigenschaften von Diamant zu erzeugen, die für die Realisierung von Farbzentren-basierten Qubits essentiell sind. Für ein skalierbares Quantencomputer-Konzept sollen zukünftig insbesondere Farbzentren in isotopenkontrollierte Diamantschichten eingebettet werden. Das isotopenkontrollierte Wachstum dient dazu, die Kernspindichte, z. B. von  ¹³C-Atomen, in dem Kristallgitter zu minimieren oder gezielt einzustellen.

Mikrowellenquellen (1 – 5 GHz)

Für die Steuerung und Kontrolle der Qubits in Quantencomputern werden Signalquellen benötigt, die für jedes Qubit maßgeschneiderte Signalpulse erzeugen. Zukünftige Quantencomputer benötigen integrierte Signalquellen, um eine weitere Skalierbarkeit der Anzahl an Qubits zu ermöglichen.

Kryogene Elektronik

Rauscharme Verstärker im Frequenzbereich von etwa 5 GHz sind zentrale Komponenten im Ausleseschaltkreis von Quantencomputern und werden aktuell bei etwa 4 K (ca. -269 °C) betrieben. Die mHEMT-Technologie des Fraunhofer IAF ist speziell für die Entwicklung von ultra-rauscharmen Verstärkern und den Betrieb bei tiefen Temperaturen optimiert. Dadurch ist es möglich, Verstärker zu realisieren, die Rauscheigenschaften nahe des physikalischen Limits besitzen.

Kryo-Messtechnik

Das Auslesen des verschränkten Zustandes von Qubits erfordert kryogene Temperaturen. Die kryogene Probestation des Fraunhofer IAF ermöglicht DC-Messungen sowie Streuparameter- und Rauschtemperaturmessungen von kryogen gekühlten Einzelbauelementen und integrierten Schaltkreisen innerhalb einer Kryokammer bis zu Temperaturen von 5 K (ca. -268 °C). Mittels der erhobenen Messdaten kann die Performance elektronischer und optischer Bauelemente bestimmt und weiter verbessert werden.

Der Betrieb von Komponenten nahe des absoluten Nullpunkts erfordert eine spezielle Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Fraunhofer IAF hat die Erfahrung, um einerseits die mechanischen Anforderungen zu gewährleisten und andererseits die Ableitung der entstandenen Wärme aktiver Bauelemente zu ermöglichen. Weiterhin arbeiten wir an neuartigen Ansätzen, um eine höhere Integrationsdichte von (opto-)elektronischen Bauelementen in zukünftigen Quantencomputern zu erlauben.

1-Qubit- und 2-Qubit-Gatter (10-nm-Technologie auf 4“-Substraten) 

Die Qubits sollen deterministisch erzeugt werden und zueinander in Abständen von 25 nm in einem Array positioniert werden. Je nach Kopplungsgrad können dann verschiedene Qubits untereinander verschränkt und 1-Qubit und 2-Qubit-Gatteroperationen durchgeführt werden. 

Spin- und Photonen-basierte Qubit-Arrays 

Hierfür werden Farbzentren in nur wenige Nanometer dicken Diamantschichten erzeugt. Einzelne Qubit-Arrays werden mithilfe von Photonen-basierten Komponenten verschränkt, um die Skalierbarkeit der Qubit-Architekturen zu ermöglichen.

Als Quantenspeicher können ¹³C-Kernspins genutzt werden, welche über ein benachbartes Farbzentrum gesteuert und ausgelesen werden.

Wir entwickeln Lichtquellen, Wellenleiter und Detektoren für polarisiertes Licht.

Um die praxisbezogene Anwendung von Quantencomputern voranzutreiben, ist eine gemeinsame, aufeinander abgestimmte Entwicklung von Hardware und Software unerlässlich. Am Fraunhofer IAF wird daher eine neue Gruppe »Quanteninformation« aufgebaut, die sich mit Themen an der Schnittstelle zwischen Hardware und Software beschäftigt.

Wir erforschen Fragen wie: Mit welchen Mikrowellenpulsen müssen Qubits angesteuert werden, um Quantengatter programmieren zu können? Mit welchen Verfahren können die auf der Quantencomputerhardware auftretenden Fehler charakterisiert und modelliert werden? Welche Quantenalgorithmen sind besonders resistent gegenüber Fehlern?