Skalierbare Quantencomputer dank kryogener 3D-Nanoelektronik

Das Potential von Quantencomputern steckt in den sogenannten Quantenbits, oder auch Qubits. Es gibt heutzutage verschiedene Arten von Qubit-Technologien, die alle vor der gleichen Schwierigkeit stehen: Ihre Zustände sind sehr instabil. Damit sie für Rechenprozesse lange genug kontrollierbar bleiben, müssen sie auf extrem niedrige (kryogene) Temperaturen unter -270°C gekühlt werden. Um Qubits auch in großer Zahl an die notwendige Auslese- und Steuerelektronik anzuschließen, bedarf es elektronische Komponenten, die bei solch extrem niedrigen Temperaturen arbeiten können, ohne dabei die Quantenzustände zu stören.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF forscht gemeinsam mit acht Partnern in dem EU-Projekt »SEQUENCE - Kryogene 3D-Nanoelektronik« an innovativen Komponenten für Quantencomputer. Ziel ist es, innerhalb von drei Jahren kryogene Elektronik zu entwickeln, die es ermöglicht, die Zahl an nutzbaren Qubits in einem Quantencomputer deutlich zu erhöhen. Dank elektrischer Steuersysteme, die direkt an den gekühlten Qubits arbeiten, soll auf lange Verbindungskabel und umständliche Aufbauten in Zukunft verzichten werden können. Für die Entwicklung der geplanten Elektronik vereint das Konsortium Kompetenzen aus Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie in den Bereichen Si-CMOS-, III-V- und 3D-Integrationstechnologien. Von der geplanten Technologie werden auch andere Bereiche wie die Weltraumkommunikation und Hochleistungsrechensystemen profitieren.

Rauscharme kryogene Elektronik am Fraunhofer IAF

Damit die empfindlichen Quantenzustände nicht gestört werden, muss Elektronik, die in direkter Nähe der Qubits zum Einsatz kommt, nicht nur mit dem Betrieb bei niedrigen Temperaturen kompatibel sein, sondern auch ein extrem geringes Rauschen sowie eine vernachlässigbare Erwärmung aufweisen. Die langjährige Erfahrung des Fraunhofer IAF im Bereich der kryogenen Elektronik für Radioastronomie bietet hier den perfekten Ausgangspunkt, um das ambitionierte Projekt zum Erfolg zu führen. Das IAF verfügt über die nötige Expertise und Tieftemperatur-Messtechnik, um ihre ultra-rauscharme Hochfrequenzelektronik für den Einsatz in Quantencomputern zu optimieren. Dazu muss die Chipgröße der Verstärker und Schalter durch 3D-Integration verkleinert und das Rauschen noch weiter, bis an die Grenzen des physikalisch Möglichen, verbessert werden.

This project is receiving support by the European Union under grant agreement number 871764.