Superrechner Tiefkühlelektronik macht Quantencomputer industrietauglich

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

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Quantencomputer sind für KI-Anwendungen oder das Machine Learning als wahre Superrechner unverzichtbar. Jetzt haben es Forscher geschafft, die Leistung der nötigen Ausleseelektronik zu pushen.

Mit ihrer hohen Rechenleistung gelten Quantencomputer, die nicht mit Bits sondern mit Qubits rechnen, die nicht nur null und eins sondern auch Zwischenwerte annehmen können, als treibende Kraft, um Zukunftstechnologien vorwärts zu bringen. Das gelte für alle Industriebereiche. Durch die besonderen Eigenschaften von Qubits – der Superposition und der Verschränkung – können diese Teilchen also weitaus mehr als lediglich die beiden bekannten Zustände annehmen. Das räume dem Quantencomputer einen radikalen Vorsprung in puncto Schnelligkeit, Leistungsfähigkeit und möglicher Komplexität der Rechenoperationen ein. Dabei gilt, dass je mehr Qubits dem Superrechner zur Verfügung stehen, er entsprechend schneller und hochwertiger rechnen kann.

Quantencomputer könnten so überall dort wertvolle Unterstützung leisten, wo komplizierte Berechnungen massiver Datensätze, Simulationen oder Wahrscheinlichkeiten benötigt würden, wobei sie auch sehr komplexe Probleme in Sekundenschnelle lösten. Ein optimiertes Logistik- und Verkehrssystem durch hochgenaue Prognosen, effiziente Entwicklung von medizinischen Wirkstoffen mittels naturgetreuer Nachbildung von Molekülen oder eine akribische Verschlüsselung für das Bankwesen sind nur einige Anwendungsbeispiele, heißt es.

Fehlerkorrektur im Quantencomputer braucht extrem kleine Elektronik

Doch der Sprung ins quantengestützte Technikzeitalter sei schwierig. Denn bislang deckten Quantencomputer der ersten beiden Generationen lediglich grundlegende Erkenntnisse zu den Funktionsweisen des Geräts auf. Funktionale Vorreiter, wie es sie etwa am Forschungszentrum Jülich gibt, bringen es im Betrieb aktuell auf beachtliche 5.000 Qubits, also 25.000 potenzielle Zustände für jedes einzelne Quantenteilchen, wie die Forscher betonen. Diese ersten Erkenntnisse stellten aber auch Hürden in den Weg. Denn das komplexe Geflecht sich überlagernder Qubits sei sehr empfindlich gegen äußere Einflüsse, wodurch sich auch Fehler in die Rechnungen einschleichen könnten. Deshalb muss eine entsprechende Fehlerkorrektur die Berechnungsvorgänge perfektionieren, wofür aber das Vielfache der Qubits gebraucht wird, die für die eigentliche Rechnung notwendig wären, erklären die Experten das Dilemma. Man redet dabei von mindestens 100.000 bis zu 1 Million Einheiten für ein einziges Gerät.

Um eine so hohe Qubitdichte in einem System zu erhalten, müssen neue integrierte Schaltungen und Leitungen in extremer Miniaturisierung hergestellt werden, wie die Experten sagen. Gleichzeitig müssten diese aber auch für Temperaturen von bis zu -273 °C gewappnet sein. Denn nur in solch frostigen Verhältnissen verlangsamen sich die Gitterschwingungen in den Festkörpern stark, dass die Qubits länger verschränkt bleiben und damit leichter manipuliert oder ausgelesen werden können, so die Erklärung. Damit es nicht zur Eigenerwärmung durch elektrische Ströme komme, würden bei tiefen Temperaturen verlustfreie Supraleiter eingesetzt. Für die Entwicklung und den Aufbau genau dieser supraleitenden Umverdrahtungen und das kryogene (tiefkühle) Packaging ist das Team rund um Dr.-Ing. Hermann Oppermann am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin verantwortlich.

Mit Indium gelötete Mikroelektronik trotzt extremer Kälte

Dann braucht es noch eine effiziente Verbindungstechnik bei Tiefsttemperaturen, die über Lötkontakte, den so genannten Bumps zustande kommt, wozu das Team eine neue, auf Indium basierende Löttechnik entwickelte. Denn das Material sei unterhalb von 3,4 Kelvin supraleitend und erweise sich auch nah des absoluten Nullpunkts als robust genug, wenn andere Werkstoffe bereits versprödeten. Zur Erzeugung von Elektronikstrukturen aus Indium wird es mithilfe eines speziellen Elektrolyten galvanisch abgeschieden. Dafür musste das Element Indium von dem bei diesen Strukturbreiten üblichen Nickelsockel auf einen alternativen Sockel transferiert werden. Die Substitution sei insofern notwendig, weil Nickel durch seine Eigenschaften große Magnetfelder induziert, welche die Qubits stören können, wobei man beim alten Problem ist. Mit dem neuen metallischen Übergang entstehe aber eine verträgliche Startschicht für die anschließende Indiumabscheidung. Diese Prozesse ermöglichen eine weltweit ungeschlagene Miniaturisierung für kryogene Verbindungen, betonen die IZM-Forscher, denn der Rasterabstand der Leiterbahnen kommt auf unter 10 Mikrometer.

Bemerkenswert rücke auch der Aufbau extrem verlustarmer und supraleitender Verbindungen aus Niob und Niobnitrid näher. Denn mithilfe einer neu entwickelten Methode wurden die Niobmaterialien nun flächig aufgebracht und mit einem Ionenstrahl geätzt. So entstehen kompakte kryogeeignete Verbindungen, deren Legierungsbestandteile auch hohe Stromdichten erlauben, wie die Forscher erklären. Nach dem Aufbau der Indium-Bumps und der supraleitenden Schaltungsträger wurden die Elemente in einem kryogenen Messstand bei Temperaturen bis unter - 270 °C (unter 3 Kelvin) erfolgreich getestet.

Im Rahmen des „InnoPush“-Projekts „HALQ – Halbleiterbasiertes Quantencomputing“ wurde gemeinsam mit den Projektpartnern eine übergreifende Plattform aufgebaut, welche Technologien der Mikroelektronik für die Anwendung in höchstskalierbaren Quantencomputern zugänglich macht. Am Projekt beteiligten sich auch die Fraunhofer-Institute IPMS, ITWM, EMFT, FHR, IIS, IISB, ILT, ISIT, IOF, ENAS sowie das IAF.

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