Wettlauf um CMOS-basierte Spin-Qubit-Chips In Jülich entsteht ein Quantencomputer auf CMOS-Grundlage von Infineon

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Arque Systems, ein Spin-off des Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen, baut einen Quantencomputer auf Basis konventioneller Halbleitertechnologien in Jülich. Das erste System wird mit fünf Spin-Qubits rechnen. Ein patentiertes „Elektronen-Shuttle“-Verfahren eröffne aber die Perspektive deutlich größerer Qubit-Verbände.

Arque Systems, eine 2022 entstandene Ausgründung des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und der RWTH Aachen, gibt den beginnenden Aufbau seines ersten Quantencomputers in Jülich bekannt. Sämtliche Komponenten seien bereits geliefert, eine Testphase stehe bevor.

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Der Chiphersteller Infineon ist Entwicklungspartner. „Alle wesentlichen Komponenten“ würden laut Unternehmensangaben aus Nordrhein-Westfalen stammen. Der Quantencomputer von Arque Systems soll Teil des Ökosystems „Juniq“ am Jülich Supercomputing Centre werden, welches aktuell vier weitere Quantensysteme verschiedener Hersteller für externe Nutzer aus Wissenschaft und Industrie zur Verfügung stellt.

Etablierte CMOS-Architektur liefert Basis für Spin-Qubits

Silizium-Wafer, wie sie auch in marktgängigen CMOS-Chips (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) zum Einsatz kommen, bilden die Grundlage des Quantencomputers von Arque. Auf einer Silizium-Germanium-Heterostruktur (Si/SiGe) werden durch gängige Lithographie- und Ätzverfahren winzige Elektroden produziert, deren elektrostatische Felder einzelne Elektronen in nanometergroßen Fallen einsperren (Quantenpunkte).

Die quantenmechanische Dreheigenschaft jedes isolierten Elektrons, sein Spin, dient als Träger von Quanteninformationen (Spin-Qubit). Dem Aachener Ingenieur und Arque-CEO Markus Beckers zufolge seien „unsere Spin-Quantenbits kleiner, robuster gegenüber Störungen und lassen sich prinzipiell in großer Zahl auf einem Chip integrieren“.

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Die Nutzung etablierter Halbleiter-Technologien verspricht nicht nur eine einfachere Produktion, sondern auch Fortschritte bei der Fehleranfälligkeit von Quantensystemen. So haben australische und belgische Forscher 2024 demonstriert, dass auf 300-Millimeter-CMOS-Chips erzeugte Spin-Qubits eine Genauigkeit einzelner Quantengatter-Operationen von über 99 Prozent erreichen können. Unter anderem nutzen Intel sowie die Startups Quantum Motion (Großbritannien) und Quobly (Frankreich) Silizium-basierte Spin-Qubits für ihre Quantencomputer.

Elektronen-Shuttle verschiebt und verschränkt Qubits über größere Distanzen

Während viele Forschungsteams und Startups an Spin-Qubit-Computern arbeiten, soll ein patentiertes Verfahren dem Jülich-Aachener Team neue Wege zur Skalierung der Technologie eröffnen. Beim Elektronen-Shuttling sollen Qubits entlang von „Shuttle-Pfaden" auf dem Chip über Distanzen von Zehntausenden Nanometern wie auf einem Fließband verschoben werden, ohne dass die Quanten-Kohärenz zusammenbricht. Dadurch ließen sich auch räumlich entfernte Qubits verschränken, was die Grundlage für die Skalierbarkeit des Systems bilde.

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Die zugrundeliegende „SpinBus"-Architektur haben Jülicher und Aachener Forscher in einer Publikation in Nature Communications vorgestellt. Simulationen hätten gezeigt, dass sich die Architektur mit konventioneller Raumtemperatur-Steuerelektronik auf mindestens 144 Qubits skalieren lasse. Beim Einsatz kryogener Steuerelektronik sei das Potenzial deutlich höher. An einer solchen kryogenen Steuerung für den Arque-Chip arbeitet das Peter-Grünberg-Institut in Jülich.

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Dieses Potenzial für Skalierbarkeit sei ein entscheidendes Unterscheidungsmerkmal des Ansatzes, so der Aachener Quantenphysiker und Arque-Gründer Hendrik Bluhm. Markus Beckers geht weiter: „Perspektivisch könnten Millionen Quantenbits auf einem fingernagelgroßen Chip Platz finden – deutlich mehr als mit allen anderen Ansätzen, die bislang realisiert wurden.“

Fünf Qubits als Starteinsatz in einem harten Wettbewerb

Bislang sind die Maßstäbe bescheidener. Der in Jülich entstehende Quantencomputer rechnet mit fünf Qubits. Laut dem Forschungszentrum Jülich sei dies „für Halbleiter-Quantenprozessoren state-of-the-art“.

Der Wettbewerb um die Skalierbarkeit von Silizium-basierten Quantenchips ist hart. Der auf 300-Millimeter-Silizium-Wafern hergestellte Intel-Chip „Tunnel Falls“ rechnet mit bis zu 12 Qubits. Der Chip des australischen Unternehmens Silicon Quantum Computing zählt 11 Qubits. Den Abstand bei der Skalierung zu länger etablierten Ansätzen wie den tiefgekühlten, supraleitenden Qubits (etwa den 156 Qubits im aktuellen IBM-Chip „Heron R2“) müssen sämtliche Silizium-Ansätze erst noch überwinden.

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