Während im noch jungen Markt für Quantencomputing teilweise bereits ehrgeizige Fahrpläne für erste Geschäftsmodelle aufgestellt werden, betreiben Forschungseinrichtungen weiterhin intensive Grundlagenarbeit. Denn noch gibt es keinen goldenen Mittelweg, einen richtig großen, marktreifen Quantencomputer zu produzieren. Verschiedene technologische Hürden müssen weiterhin angegangen werden.
Störungsempfindliche Qubits
Ein Kernproblem ist dabei die Skalierbarkeit der Hochleistungsrechner. Kleine, zuverlässig arbeitende Quantencomputer können bereits seit einigen Jahren gebaut werden. Doch sobald es daran geht, die Zahl der für die Informationsverarbeitung zuständigen Qubits zu erhöhen, sinkt die Verlässlichkeit der Superrechner dramatisch. Im Gegensatz zu klassischen Bits sind Qubits extrem empfindlich gegenüber kleinsten äußeren Störungen. Je mehr Qubits zusammengeschaltet werden, desto anfälliger wird das Gesamtsystem für Fehlsignale und Dekohärenz.
Um einen verlässlich arbeitenden, hochskalierbaren Quantencomputer zu realisieren, werden weltweit verschiedene technologische Ansätze konkurrierend verfolgt. Neben supraleitenden Schaltkreisen und neutralen Atomen gehören Ionenfallen-Qubits zu den am weitesten entwickelten Konzepten. Bei dieser Methode werden einzelne Atome ihrer Außenelektronen beraubt, also ionisiert, und durch elektromagnetische Felder berührungslos in sogenannten Fallen isoliert. Diese geladenen Teilchen lassen sich mittels Laser steuern. Sie zeichnen sich durch vergleichsweise geringe Fehlerraten aus.
Schwierige Skalierbarkeit
Allerdings galt diese Bauweise lange Zeit als schwer skalierbar. Um komplexe Berechnungen durchzuführen, müssen sehr viele Qubits miteinander interagieren. Ordnete man die Ionen früher starr in einer Reihe an, funktionierte die Kommunikation zwischen benachbarten Teilchen zwar gut, bei weit voneinander entfernt liegenden Ionen kam es jedoch zu Informationsverlusten. Mit steigender Systemgröße versagte die Kopplung zunehmend.
Ionen bewegen sich wie Zugwaggons
Ein architektonischer Fortschritt verschafft der Ionenfallen-Technologie nun wieder Aufwind. Einem Forschungsteam des US-Unternehmens Quantinuum ist es in Zusammenarbeit mit den Sandia National Laboratories gelungen, einen Ionenfallen-Prozessor namens Helios auf nahezu 100 Qubits zu skalieren. Genutzt wird dabei die sogenannte Quantum-Charge-Coupled-Device-Architektur (QCCD). Hierbei sind die Qubits nicht starr fixiert, sondern auf flexible Zonen verteilt. Die Ionen bewegen sich wie Eisenbahnwaggons auf Schienen zwischen Speicher-, Vorbereitungs- und Rechenbereichen. Indem sie physisch zueinander transportiert werden, können sie direkt interagieren, ohne dass Signale über fehleranfällige Distanzen übertragen werden müssen. Der neu vorgestellte Prozessor arbeitet mit 98 Bariumionen und erreicht eine Verlässlichkeit bei einzelnen Rechenoperationen von über 99,9 Prozent, was die Skalierbarkeit dieses Ansatzes eindrucksvoll beweist.
Wichtige Abschirmung und tiefe Kühlung
Diese Methode bringt jedoch auch neue Herausforderungen mit sich. Durch das ständige Verschieben der Ionen erwärmen sich die Teilchen. Nach jedem Transportschritt müssen sie daher erneut heruntergekühlt werden, was wertvolle Prozesszeit in Anspruch nimmt. Eine optimale Abschirmung und Kühlung ist für die Stabilität der flüchtigen Quantenzustände zwingend erforderlich. Um Fehlereinflüsse zu minimieren, werden die Systeme im Hochvakuum bei kryogenen Temperaturen betrieben – oft nur knapp über dem absoluten Nullpunkt bei unter 10 Kelvin (minus 263 Grad Celsius).
Genau an diesem kritischen Punkt setzen Forschungsaktivitäten an der Technischen Universität Chemnitz an. Mit der Errichtung des neuen Speziallabors „Cryo-Lab for Materials and Electronics Packaging Chemnitz“ (CRYME) wurde eine neue Infrastruktur geschaffen. Materialien, Komponenten und elektronische Systeme für Quantencomputer werden hier unter extremen Tiefsttemperaturen untersucht. Betrieben wird das Labor gemeinsam von der TU Chemnitz und dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) im Rahmen des European Test and Reliability Center (ETRC).
TU Chemnitz forscht unter Extrembedingungen
Die Arbeiten in Chemnitz adressieren ein zentrales Nadelöhr der Technologie. Da Ionenfallen-Systeme in Forschung und Industrie vor allem hinsichtlich ihrer Miniaturisierung auf großes Interesse stoßen, werden neuartige Ansätze für die heterogene Systemintegration benötigt. Die verbauten Materialien müssen extremen thermomechanischen Belastungen standhalten, wenn sie von Raumtemperatur auf kryogene Bedingungen abgekühlt werden. Mithilfe spezieller Kryostate, kryogener Materialprüfsysteme und eines Rasterelektronenmikroskops analysieren die Forschenden das Verhalten von Werkstoffen unter diesen Extrembedingungen.
Diese technologische Kompetenz fügt sich direkt in die strategischen Ziele des europäischen „Chips Act“ ein, der die technologische Souveränität Europas im Bereich der Halbleiter- und Mikroelektronikstärkung zum Ziel hat. Durch die Bündelung der Kräfte am Mikroelektronik-Standort Chemnitz soll die Lücke zwischen akademischer Grundlagenforschung und industrieller Anwendung geschlossen werden. Das Interesse der Industrie an Messungen unter kryogenen Bedingungen unterstreicht die Relevanz dieser Entwicklungen.
Quantencomputer-Wettlauf weiter offen
Der jüngste Skalierungserfolg in den USA und die materialtechnologischen Fortschritte in Deutschland verdeutlichen, dass der Wettlauf um den praxistauglichen Quantencomputer nach wie vor offen ist. Obwohl bis zu den voraussichtlich benötigten Hunderttausenden oder Millionen fehlerkorrigierten Qubits noch ein weiter Weg liegt, zeigen die Entwicklungen rund um die QCCD-Architektur und die kryogene Systemintegration, dass Ionenfallen-Systeme ein starker Anwärter für weitere Fortschritte im Feld der Quanteninformatik bleiben.
