Großes Projekttreiben im Quanten-Valley Viel Geld und viel Innovation im Spiel: Quantentechnologie-Forschung boomt

Autor / Redakteur: M.A. Jürgen Höfling / Ulrike Ostler

Eine praxisgerechte rechentechnische Nutzung der quantenphysikalischen Phänomene regt die wissenschaftlich-technologische Fantasie weltweit an. Auch in Deutschland und Europa gibt es unzählige Projekte, die angewandte physikalische Forschung mit Hardware- und Software-Engineering zusammenbringen sollen.

Die Quantentechnologie -Projekte in Deutschland und Europa bilden ein Geflecht von oft genialen Ideen, großen technologiepolitischen Ambitionen und jeder Menge Steuergeld
Die Quantentechnologie -Projekte in Deutschland und Europa bilden ein Geflecht von oft genialen Ideen, großen technologiepolitischen Ambitionen und jeder Menge Steuergeld
(Bild: Gerd_Altmann_auf_pixabay)

QUASAR, SEQUENCE, PIEDMONS, QLSI, OpenSuperQ , GeQCoS oder Munich Quantum Valley: Die Abkürzungen zu Deutschland- beziehungsweise europaweiten Projekten zum Thema Quantentechnologie und Quantenrechner sind ebenso vielfältig und schwer (auf)lösbar wie das Gesamtunternehmen selbst – mit all seinen wissenschaftlichen und technologischen Facetten.

Der Begriff Gesamtunternehmen ist insofern nicht übertrieben, als die Transformation von quantenphysikalischen Zuständen in stabil funktionierende Informationselemente (Qubits) und Kombinationen (Quantengatter) eine Vielzahl von Teilaufgaben umfasst, die von der chiptechnischen Umsetzung der jeweils gewählten Basistechnik, zum Beispiel: Ionenfalle, supraleitende Strukturen, Fehlstellen in Diamante und Elektonenspin,) über die Lasersteuerung bis zur „Kryogenik“ und Gehäusetechnik reichen; nicht zu reden von der Gestaltung geeigneter Programmiersprachen und der Software ganz allgemein.

Die im Folgenden referierten Deutschland- und EU-weiten Förderprojekte in Sachen Quantentechnologie sind keineswegs exhaustiv, geben aber doch eine repräsentative Sicht in Bezug auf das Spektrum der zu erledigenden „Hausaufgaben“. In der Regel konzentrieren sich die Projekte auf ein bestimmtes quantenphysikalisches Phänomen, das als Basis der Qubits verwendet wird.

Alle Projekte haben den industriellen Praxisbezug im Programm, was sich auch darin zeigt, dass sehr oft Institute der für angewandte Forschung zuständigen Fraunhofer-Gesellschaft und Chipschmieden wie Infineon als Partner einbezogen sind.

Das Projekt GeQCoS

Der Bau eines Quantenprozessors auf der Basis supraleitenden Qubits ist das Ziel des vom BMBF mit 14,5 Millionen Euro geförderten Verbundprojekts GeQCoS („German Quantum Computer based on Superconducting Qubits“). Das Ergebnis, ein Chip, auf dem supraleitende Qubits wie auf einem Schachbrettmuster angeordnet sind, soll in vier Jahren am Walther Meißner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften getestet und die Leistungsfähigkeit des Prozessors anhand eines eigens entwickelten Quantenalgorithmus gezeigt werden.

Der Prozessor basiert auf neuartigen Materialien und Fabrikationsmethoden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), theoretischen Konzepten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg (FAU), den optimierten Steuerungsmechanismen des Forschungszentrum Jülichs (FZJ) und den Entwürfen zu neuen Architekturen mit höherer Konnektivität am WMI und an der Technischen Universität München (TUM). Infineon, ehemals Siemens Halbleiter und mittlerweile einer der zehn weltweit größten Chipschmieden, wird im Werk Dresden neue skalierbare Fabrikationsmethoden für den Supraleitungs-Quantenprozessor umsetzen.

Supraleiter

Die geplanten Verbesserungen gegenüber existierenden supraleitenden Schaltkreisen betreffen zum einen die Erhöhung der Konnektivität, sprich die Anzahl an Verbindungen zwischen den einzelnen Qubits, zum anderen eine Verbesserung der Qualität der Qubits und damit der Möglichkeit, schnell und effizient die gewünschten Quantenzustände herstellen zu können. Durch den Einsatz von neuartigen Materialien und neuen Fertigungsmethoden erwarten die Forscher*innen eine bessere Reproduzierbarkeit und eine höhere Qualität der Qubits.

Ein besonderer Schwerpunkt des Verbundprojekts liegt in der engen Verzahnung von Hardware und Software. Die Algorithmen sollen speziell auf die Art der Qubits und der Operationen sowie der vorhandenen Verbindungen zwischen den Qubits abgestimmt werden.

Durch neuartige Kopplungsmechanismen will man die Anzahl der benötigten Operationen minimieren. Insgesamt soll das Projekt die Skalierbarkeit hin zu Quantencomputing-Architekturen mit einer größeren Qubit-Anzahl als nächstem Schritt sicherstellen und so die Voraussetzungen für eine Entwicklung fehlerkorrigierter Quantencomputer erarbeiten.

Das Projekt QUASAR

Die Entwicklung eines Halbleiter-Quanten-Prozessors, der auf „gekoppelten“ Elektronen beruht, hat sich das mit rund 7,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt QUASAR vorgenommen.

Grundlage der Kopplung („Shuttling“) bildet ein s ogenannter Quantenbus, über den sich einzelne Elektronen mitsamt ihrer Quanteninformation über Distanzen von bis zu zehn Mikrometern hinweg transportieren lassen. Bewerkstelligt wird das durch hintereinandergeschaltete Elektroden, die die Quantenpunkte durch pulsierende Spannungen wie auf einem Förderband von einem Ende zum anderen bewegen.

Das Projekt QUASAR setzt auf Silizium-Quantenbits auf, bei denen der Eigendrehimpuls eines einzelnen Elektrons – der so genannte Elektronenspin – als Informationsspeicher herangezogen wird. Die Drehrichtung des Elektrons in Kombination mit seinem Quantenzustand kodiert dabei die Quanteninformation. Wie immer in der Quantenphysik ist dieser Zustand sehr fragil, schon kleinste Störungen auf atomarer Ebene können den Drehimpuls eines Elektrons beeinflussen und die Quanteninformation zunichtemachen.

Silizium als Grundlage

Noch einmal potenziert wird die Fragilität dann, wenn man die Elektronen koppelt. „Bei der Verschaltung einer größeren Anzahl von Quantenbits können Wechselwirkungen entstehen, die nur schwer in den Griff zu bekommen sind“ sagt Guido Burkard, Professor für Theoretische Festkörperphysik und Quanteninformation an der Universität Konstanz, der mit seinem Institut einer der Projektpartner von QUASAR ist.

Technologische Basis von QUASAR sind so genannte Silizium/Silizium-Germanium-Quantentöpfe. Im Projekt sollen alle wesentlichen Architekturelemente und deren Funktionen mit konkurrenzfähiger Güte nachgewiesen werden.

Das Projekt soll die Grundlage für einen Demonstrator mit 25 2D-gekoppelten Qubits schaffen, welcher in einem Nachfolgeprojekt realisiert und online zugänglich gemacht werden soll. Darüber hinaus wird eine Weiterentwicklung mit mehr als 1.000 Qubits angestrebt.

Koordiniert wird der QUASAR-Verbund durch das Forschungszentrums Jülich. Mit dabei sind neben den Universitäten Konstanz und Regensburg das Leibniz-Institut IHP in Frankfurt / Oder, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg und das Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme in Dresden sowie der Karlsruher Materialforschungsspezialist HQS Quantum Simulations GmbH und last but not least Infineon mit seinem Entwicklungs- und Fertigungszentrum in Dresden.

QLSI und Kompetenzzentrum QC Baden-Württemberg

Ebenso wie bei QUASAR wird auch im EU-Forschungsprojekt QLSI (Quantum Large-Scale Integration with silicon) ein Ansatz auf Silizium-Basis verfolgt. QLSI wird im Rahmen der EU-Flagship-Projekte mit 15 Millionen Euro gefördert. Auch bei QLSI ist unter anderem das Institut für Theoretische Festkörperphysik und Quanteninformation an der Universität Konstanz involviert. Geführt wird das Projekt QLSI vom Institut CEA-Leti in Grenoble. Leti ist in etwa das französische Äquivalent zu „Fraunhofer“.

Professor Burkard aus Konstanz bringt im Übrigen mit seinem Institut auch in regionalen Förderprojekten seine Expertise ein. Im Rahmen des von der Fraunhofer-Gesellschaft initiierten und vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg geförderten „Kompetenzzentrum Quantencomputing Baden-Württemberg“ wird am IBM-Standort in Ehningen der Forschung und Industrie im „Ländle“ ein Quantenrechner von Big Blue für Entwicklungs- und Testzwecke zur Verfügung gestellt.

Im Kompetenzzentrum gibt es unter anderem die Projekte QORA und QC4BW. Bei QORA handelt es sich um ein Quantensoftware-Projekt mit der Aufgabe der Optimierung von Algorithmen des Quantenrechnens. QC4BW verfolgt als Hardware-Projekt das Ziel, Quanteneffekte in Diamanten als mögliche Grundlage von Qubits zu erforschen. Die Steuerzahler in Baden-Württemberg stellen für das Kompetenzzentrum rund 40 Millionen Euro über die nächsten vier Jahre zur Verfügung.

OpenSuperQ, PIEDMONS und SEQUENCE

Einen Quantencomputer auf „Supraleitungs-Qubits“ mit 100 Quantenbits im Endausbau versprechen die europaweiten Teilnehmer (von Finnland bis Spanien) des OpenSuperQ-Projekts. Deutscherseits sind das Forschungszentrum Jülich und die Universität des Saarlands mit an Bord. Finanziert wird das Projekt vom Horizon-Programm der EU mit rund 10 Millionen Euro.

Ebenfalls aus EU-Horizon-Geldern finanziert wird das Projekt PIEDMONS, an dem die Universität Innsbruck, die ETH Zürich (beides weltweite Schwergewichte in Sachen Quantencomputing), die Turiner Firma Interactive Fully-Electrical Vehicles und das Villacher Entwicklungs- und Fertigungszentrum von Infineon beteiligt sind.

Basistechnologie sind in diesem Projekt Ionenfallen als Realisierung der Qubits. Erkundet werden soll bei PIEDMONS unter anderem, inwieweit Ionenfallen mittels Halbleiter-Fertigungstechnologien gebaut werden können und welche Quantenchip-Architekturen besonders von der erhöhten Präzision und Skalierbarkeit moderner Halbleiterfertigung profitieren.

Raumtemperaturen und on-chip-Integration

Darüber hinaus wollen die Forschungspartner herausfinden, ob mit neuartigen Geometrien solche Ionenfallen auch bei Raumtemperatur betrieben werden können. Die Forscher zielen auf die Herstellung robusterer Quantensysteme und die Miniaturisierung des Gesamtsystems mittels on-chip Integration der benötigten Elektronik.

Miniaturisierung und Handhabbarkeit des Equipments ist ein sehr wichtiger Parameter in der gesamten Quantenrechnerei. Denn schließlich soll ein Quantencomputer mehr oder weniger (tatsächlich eher mehr!!) wie ein Rechner aussehen, wie man ihn als Nutzer heute kennt und nicht wie ein Physiklabor. On-Chip-Integration ist dazu ein Weg, ein anderer Eckpfeiler einer vernünftigen Dimensionierung eines solchen Rechners ist die Kühlproblematik.

Dieser Kühlproblematik widmet sich das von der EU mit rund 4,5 Millionen Euro unterstützte Projekt SEQUENCE, bei dem kryogene Elektronik und zugehörige Demonstrationen in verschiedenen Anwendungsbereichen entwickelt werden, unter anderem auch im Bereich Quantencomputer. Es sollen neuartige nanoelektronische Geräte entwickelt, erforscht und bewertet werden, die gesteigerte Leistungswerte bei kryogenen Temperaturen bieten.

Nanoelektronik und Rauschen

Die vielfältigen Ergebnisse des Projekts umfassen kryogene 3D-Integrationstechnologie und -Strategien sowie einen neuen Satz kritischer kryogener Bausteine und einen ausgereiften Satz aufkommender Nanoelektronik. Die Federführung liegt bei der schwedischen Universität Lund.

Konkret geht es in dem Projekt unter anderem um die Verbesserung der Hochfrequenz-Technologie HEMT (High Electron Mobility Transistor) für kryogene Bedingungen mit einer Steilheit von mehr als 1 S/mm bei einer Versorgungsspannung von 0,1 V und einem Strom von maximal 50 mA/mm.

Des Weiteren soll die Rauschtemperatur von Verstärkern bei 5 GHz mit reduzierter Leistungsaufnahme verbessert werden. Die Zielwerte sind eine Rauschtemperatur von kleiner 2 K bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 3 mW. Und last but not least ist die Entwicklung eines Arrays mit mindestens vier rauscharmen Verstärkern in Kombination mit 3D-Integration von Verstärkern und HF-Schaltern geplant.

Munich Quantum Valley

Einen Förderungs-Rundumschlag in Sachen Quantentechnologie im Allgemeinen und Quantenrechner im Besonderen macht die Bayerische Staatsregierung. Sie stellt über einen Zeitraum von zehn Jahren vorbehaltlich der Zustimmung des Landtags insgesamt 300 Millionen Euro bereit, davon 120 Millionen Euro bereits in den Jahren 2021 und 2022.

Darüber hinaus wird sich das Munich Quantum Valley genannte Großprojekt um die Universitäten und Forschungsinstitutionen im "Valley" (anscheinend ist damit die abfallende oberbayerische Schotterebene im Norden der bayerischen Landeshauptstadt gemeint !!!!) auch um eine Förderung des Bundes bewerben. Dieser unterstützt die Entwicklung von Quantentechnologien im Rahmen des Zukunftspakets Deutschland mit zwei Milliarden Euro.

Das Projekt ist – wenn es denn gute Ergebnisse bringt – vom Typ des vielzitierten Leuchtturms. Das hängt nicht nur mit den vielfältigen vorgesehenen technischen Detail-Entwicklungen zusammen, sondern auch mit dem hohen politischen Zukunftsanspruch. Auf der Microsoft-Quantencomputer-Konferenz EXPLAINED im Herbst 2020, auf der Judith Gerlach, die bayerische Staatsministerin für Digitales, das Projekt ankündigte, soll laut Gerlach nicht nur ein (weiterer) Quantencomputer „Made in Germany“ entwickelt werden, sondern es soll das Quantencomputing nicht zuletzt mit den klimapolitischen Zukunftsfragen der Menschheit verknüpft werden. „Wir müssen beides (das heißt Quantencomputing und Klimawandel, d.Verf.) zusammen denken“, sagte die Ministerin damals und wies darauf hin, dass beispielsweise „die energietechnische Netzsteuerung in Zeiten der Energiewende ohne gewaltige Rechnerkapazitäten überhaupt nicht denkbar sei. Der Quantencomputer spiele daher in entsprechenden Überlegungen eine wichtige Rolle.

(ID:47278311)

Über den Autor