Zu Besuch bei Peak Quantum Ein Chip, ein Raum voller Technik

Quantencomputer brauchen eine Infrastruktur, die ganze Labore füllt – für ein Stück Silizium von zehn mal zehn Millimetern. Das Münchner Start-up Peak Quantum will das ändern.

Golden glänzen die Platten und Rohre, dazwischen ziehen sich Kabelstränge nach unten, oben sitzt ein Gestell voller Mikrowellenelektronik. Das Gerät im Münchner Labor ist so schwer, dass zwei Menschen nötig sind, um es zu öffnen. Es sieht aus wie ein Computer, doch neunzig Prozent davon sind Kühlung. Stufe für Stufe wird es nach unten kälter: von Raumtemperatur auf vier Kelvin, etwa minus 269 Grad, dann auf ein Kelvin, auf hundert Millikelvin und schließlich auf zehn Millikelvin. Kälter geht es kaum noch.

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Am untersten Punkt hängt ein Stück Silizium, zehn mal zehn Millimeter groß, darauf 17 Qubits. Es ist der einzige Chip im gesamten Aufbau, und es ist das Einzige, was das Startup Peak Quantum selbst herstellt. Alles andere dient nur dazu, dass dieser Chip rechnen kann.

Dieses Missverhältnis ist kein Sonderfall. Es beschreibt das Kernproblem supraleitender Quantencomputer, wie sie auch IBM baut: Schwer ist nicht nur der Chip selbst, sondern alles, was ihn erst betriebsfähig macht – Kühlung, Verkabelung und Steuerung.

Dr. Thomas Luschmann, Co-Founder und COO bei Peak Quantum, erklärt: „Quantencomputer sind in der Praxis angekommen. Es gibt sie, und sie werden benutzt.“ Doch sie seien noch nicht fehlertolerant genug, um damit ein wirtschaftlich wertvolles Problem zu lösen. Der Grund liegt auf dem Chip selbst. Die Qubits rechnen mit komplexen Quantenzuständen, und die reagieren empfindlich auf Vibrationen, Temperaturschwankungen und sogar auf kosmische Strahlung. Um Fehler abzufangen, arbeiten Forscher mit Redundanz: Durch sogenannte Fehlerkorrektur bilden viele physische Qubits ein fehlerfreies. Deshalb ist oft von Millionen Qubits die Rede, die für Anwendungen gebraucht werden.

Jedes weitere Qubit bedeutet mehr Leitungen, und jede Leitung bringt Wärme in die Anlage, die wieder abgeführt werden muss. Je nachdem, wen man fragt, passen einige tausend Kabel in ein Kühlsystem. Danach ist der Wärmeeintrag zu hoch. Auch die Steuerung ist aufwendig: Ein Modul, das sechs Qubits kontrolliert, kann über 100.000 Euro kosten. Und wer den Aufbau öffnen will, wartet anderthalb Tage, bis er sich erwärmt hat, und nach dem Schließen zwei Tage, bis er wieder kalt ist.

Der Ansatz: Fehler schon auf dem Chip verhindern

Peak Quantum setzt dort an, wo die Fehler entstehen: auf dem Chip. Ein Qubit besitzt wie ein klassisches Bit die Grundzustände Null und Eins, kann aber durch Superposition auch beide Zustände gleichzeitig annehmen, in jeder beliebigen Überlagerung. Das Startup kodiere diese Zustände anders als üblich, erklärt Luschmann. Das Chipdesign sei so aufgebaut, dass ein Bit-Flip, also das ungewollte Umspringen von Null auf Eins, physikalisch unterdrückt werde. „In der idealen Welt wäre das dann einfach verboten“, sagt der Physiker. Perfekt werde der Schutz nie sein, er senke aber die Fehlerrate. Damit brauche es weniger Redundanz: weniger physische Qubits für dieselbe Rechnung, weniger Kabel, weniger Kühlung.

Der Chip bleibt ein supraleitender Chip, wie ihn auch IBM nutzt. Unterschiedlich ist die Anordnung der Leitungen, Kapazitäten und Induktivitäten. Die Theorie dahinter stamme nicht vom Startup, sagt Luschmann, sie sei seit Langem bekannt. Nur habe lange niemand einen solchen Qubit fertigen können. „Bei uns kommt die Innovation aus der Fertigung.“ Erste Prototypen der QPUs gebe es, die Qubits funktionierten. Der nächste Schritt sei zu zeigen, wie viel besser sie tatsächlich seien und wie sie skalierten. Für einen Einsatz beim Kunden sei es noch zu früh, sagt Luschmann. Das Startup ziele nicht auf einen möglichst schnellen Markteintritt ab. Es wolle die Technologie weiterentwickeln, bis sie den größtmöglichen Unterschied mache.

So entsteht der Chip

Wer die Fertigung betritt, zieht blaue Überschuhe über. Im ersten Raum, sauber, aber noch kein Reinraum, stehen die Vakuumanlagen nebeneinander. In einer liegt ein Halter für den Wafer, eine Siliziumscheibe. Er wird in eine Kammer gefahren, aus der die Luft bis auf ein Hundertmillionstel Millibar abgepumpt wird. Dann wird ein Metall erhitzt und von unten auf die Scheibe aufgedampft. Jedes Material braucht eine eigene Anlage. Sieben weitere stehen im selben Gang.

Solche Anlagen gibt es auch in jeder Halbleiterfabrik. Der Unterschied liegt in den Materialien: Die supraleitenden Metalle dürfen dort nicht hinein, sie gelten unter Chipherstellern als wenig erprobt und als Kontaminationsrisiko für die Produktionslinien. Deshalb lasse sich ein Quantenchip nicht in einer normalen Halbleiterfabrik fertigen, erklärt Luschmann. Das Werkzeug komme größtenteils aus Europa, etwa von Oxford Instruments und von einem französischen Hersteller.

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Im Reinraum, in dem Anzüge Pflicht sind, folgen die Schritte, die die Leiterbahnen formen. Ionenätzer tragen das Metall ab. In der hintersten Ecke steht die Elektronenstrahllithografie, sie zeichnet die Leiterbahnen auf den Chip. Sie erreiche eine vergleichbare Auflösung wie die EUV-Belichtungsmaschinen des Herstellers ASML, die in der Halbleiter-Massenfertigung zum Einsatz kommen, arbeite aber deutlich langsamer. Dafür koste sie einige Millionen Euro statt Hunderten von Millionen.

Ein Wafer mit hundert Millimetern Durchmesser trägt etwa vierzig Chips. Eine Säge trennt sie auf wenige Mikrometer genau. Danach werden sie per Draht in Kupfergehäuse mit Leiterplatte kontaktiert. Staub und Kratzer zerstören einen Chip, in einem geschlossenen Gehäuse lässt er sich aber bei Raumtemperatur lagern.

Unter dem digitalen Mikroskop wirken die Strukturen auf dem Chip wie Pads und Leiterbahnen, die Fläche misst einen mal einen Millimeter. Der entscheidende Punkt ist viel kleiner: zwei Aluminiumstränge von etwa 200 Nanometern, die sich auf einer winzigen Insel treffen. Dieser Josephson-Kontakt sei der Ort, an dem der Quanteneffekt entstehe, erklärt Luschmann. Ohne ihn wäre der Chip nur ein klassischer elektrischer Schaltkreis. Er liegt unter der Auflösungsgrenze optischer Mikroskope, sichtbar wird er nur, weil das Aluminium das Licht reflektiert.

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Von 100 auf 200 Millimeter: die Pilotlinie

Heute fertigt das Team auf Wafern mit 100 Millimetern Durchmesser. In der Halbleiterindustrie sind es 300 Millimeter und damit Tausende bis Zehntausende Chips pro Scheibe. Diesen Schritt müssten irgendwann auch die Hersteller von Quantenchips gehen, sagt Luschmann. Aktuell sei dieses Volumen aber noch nicht nötig. Vor einigen Jahren habe man in der Forschung vieles noch auf der Ebene einzelner Chips erledigt, von Hand mit Pinzette.

Als Nächstes steht der Umstieg auf 200-Millimeter-Wafer an. Er ist Teil des EU-Projekts „SUPREME“, einer europäischen Pilotlinie für supraleitende Quantenchips. Das Max-Planck-Institut stellt den Reinraum in seinem „Halbleiterlabor“ in Garching zur Verfügung, eine neue Linie wird eingebaut. Sie soll als Foundry auch Forschern aus ganz Europa offenstehen, die Chips nach eigenem Design bestellen können, ähnlich wie bei TSMC. Der Hintergrund ist die Souveränität: Man wolle bei Quantenchips nicht wieder von Taiwan abhängig sein, sagt Luschmann.

Finanzierung: Pre-Seed-Runde und EU-Förderung

Peak Quantum gibt es seit zwei Jahren, das Startup hat 13 Beschäftigte und ist ein Spin-off des Walther-Meißner-Instituts. Es sitzt dort als Untermieter in drei Büros mit 15 Plätzen, die im Oktober voll werden. Gegründet haben es sechs Personen: fünf Physiker aus dem Umfeld des Instituts und ein Berater aus dem Finanzbereich.

Anfang des Jahres schloss das Unternehmen eine Pre-Seed-Runde über 2,2 Millionen Euro ab. Investoren sind Cloudberry Ventures und United Founders. Bewusst habe man nur europäische Geldgeber gewählt, sagt Luschmann. Dazu kommt das EU-Projekt mit rund 2,5 Millionen Euro. Förderung gibt es nur mit Eigenbeitrag: Selbst bei einer Million Fördergeld brauche ein Unternehmen ein paar Hunderttausend Euro Eigenkapital. Quantenhardware ohne Risikokapital zu bauen, sei schwierig bis unmöglich.

Europa und USA: Unterschiede bei Investoren und Wachstumskapital

In der frühen Phase sieht Luschmann Europa besser aufgestellt als früher. Viele Investoren hätten Lust auf Deep Tech und verstünden die Zeiträume. Niemand erwarte, dass ein Quantenstartup in zwei Jahren profitabel werde. Anders als man es manchmal aus den USA hört, reiche in Europa aber keine Präsentation samt Lebenslauf. Die Investoren verlangten mehr Nachweise: die Theorie, erste Ergebnisse, Absichtserklärungen möglicher Käufer. Das halte er nicht für schlecht.

Schwierig werde es bei den großen Summen. Firmen, die 100 Millionen Euro für einen eigenen Reinraum oder die internationale Expansion brauchten, fänden das Geld in Europa noch schwer. Als Beispiel nennt er Oxford Ionics. Das britische Unternehmen habe eine neue Technik zur Steuerung von Qubits in Ionenfallen entwickelt, die nächste Finanzierung aber in Europa nicht stemmen können und sei für rund eine Milliarde Dollar an IonQ verkauft worden. Natürlich sei so ein großer Exit ein Erfolg, den man feiern könne, sagt Luschmann, aber es bleibe auch ein Verlust, weil eine europäische Technologie nun weg sei.

Vor der Entscheidung, ob er dafür einen US-Investor akzeptieren würde, stehe er glücklicherweise noch nicht. Im Zweifel würde er den Fortbestand der Firma vorziehen. Politisch tue sich etwas: Die EU habe einen Scale-up-Fonds aufgelegt, die Hightech-Agenda der Bundesregierung nenne Quantentechnologie als eines von sechs Kernthemen. Umgesetzt sei davon noch wenig. In den USA verweise er auf eine angekündigte neue Fertigung von IBM mit der Regierung für rund zwei Milliarden Dollar.

Offene Punkte: Skalierung, Kopplung, Fachkräfte

Als größte offene Fragen nennt Luschmann zwei gekoppelte Probleme: Skalierung und Fehlerrate. Es gehe darum, Zehntausende bis Hunderttausende Qubits zuverlässig herzustellen und zu kühlen. Dazu komme die Verbindung mehrerer Kühlsysteme. Das sei keine physikalische Unmöglichkeit, brauche aber noch Jahre an Forschung.

Auch bei den Fachkräften fehlt es. Bislang arbeiten laut Luschmann zu 90 Prozent Physiker an den Rechnern. Fachleute, die wissen, wie man Quantensysteme aufbaut und programmiert, seien rar und entsprechend gefragt. Um sie konkurrierten Startups, Konzerne und Forschungseinrichtungen weltweit.

Auch die Software ist noch im Aufbau: Vielfach wird nah an der Hardware programmiert, auf der Ebene einzelner Operationen. Die Schichten von Compilern und Werkzeugen, die im klassischen Computing die Programmierung vereinfachen, entstehen gerade erst – daran arbeiten zahlreiche Startups und Forschungsgruppen.

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