Quantencomputing

Quantencomputing „Made in Europe“: Fraunhofer IPMS forscht an supraleitenden Qubits, neutralen Atomen und Spin-Qubits

Das Fraunhofer IPMS gestaltet die Zukunft der Quanten­technologien aktiv mit. Im Zentrum unserer Arbeit steht die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer-Hardware, die von der Materialforschung bis zur industriellen Integration reicht. Mit unserer 200 mm- und 300 mm-Halbleiterfertigung, unserer Expertise in Photonik, Nanoelektronik und Mikrosystemtechnik sowie der engen Kooperation mit Industriepartnern schaffen wir die Brücke zwischen Forschung und Anwendung. Die Quantum Europe Strategy der Europäischen Kommission ruft dazu auf, Europas Führungsrolle in Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantensensorik zu sichern. Das Fraunhofer IPMS leistet dazu einen entscheidenden Beitrag: Wir entwickeln und erproben Schlüsseltechnologien, die zu einer souveränen europäischen Quanten-Wertschöpfungskette beitragen – von der Grundlagenforschung über Prozessintegration bis hin zu industriereifen Prototypen. Unsere Schwerpunkte liegen auf den vier zentralen Hardware-Plattformen des Quantencomputings: supraleitende Qubits, neutrale Atome, photonische Qubits und halbleiterbasierte Spin-Qubits. Damit unterstützen wir die strategischen Ziele Europas – Skalierbarkeit, Nachhaltigkeit und technologische Souveränität – und treiben die Entwicklung der nächsten Generation von Quantenprozessoren „Made in Europe“ voran.

Materialien Prozess- und Fertigungstechnologie Integration & Systemarchitektur Quanten-Hardware & Systemplattformen
Ziel:
Identifizierung geeigneter Materialien und physikalischer Systeme für Qubits und Quantenbauelemente.
Ziel:
Entwicklung reproduzierbarer, industrietauglicher Fertigungsprozesse für Qubits und Ansteuerung
Ziel:
Funktionsfähige, skalierbare Qubit-Systeme und Ansteuerungselektronik
Ziel:
Aufbau von funktionierenden Quantenprozessoren und Testumgebungen.
Status Fraunhofer IPMS:
stark aktiv (Materialentwicklung & Charakterisierung).
Status Fraunhofer IPMS: Kernkompetenz – 300 mm-CMOS-Linie, Prozessintegration, Kryoelektronik Status Fraunhofer IPMS: aktiv (Integration, Elektronik, Verbindungstechnik). Status Fraunhofer IPMS: unterstützende Rolle (Komponenten- und Prozesslieferant, kein eigener Systemanbieter).

1. Supraleitende Qubits

Quantencomputing

Supraleitende Qubits sind elektrische Schaltkreise, die aus supraleitenden Materialien bestehen und bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. Sie werden mit Mikrowellenpulsen gesteuert. Aufgrund ihrer Kompatibilität mit den vorherrschenden Prozesse der Halbleiterindustrie sind sie eine der vielversprechendsten Technologien für Quantencomputer. Das Fraunhofer IPMS nutzt seine Expertise in der hochmodernen, industriekompatiblen CMOS-Halbleiterfertigung im 300-mm-Waferstandard. Fokus: Abscheidung, Nanostrukturierung, elektrische Charakterisierung, Kyrogene Ansteuerelektronik, optimierte Metallisierung und BeoL-Module für supraleitende Qubits.

Projekte & Pilotlinien:

Pilotlinie

SUPREME

SUPREME ist eine wichtige europäische Pilotlinie zur Industrialisierung der Herstellung supraleitender Quantenchips.

Forschungsprojekt

QSolid

Quantum computer in the solid state

Forschungsprojekt

Qu-Pilot

Pilotproduktionskapazitäten für Quantentechnologien

Forschungsprojekt

ARCTIC

Scalable cryogenic control technology for quantum processors

Forschungsprojekt

MATQu

Materialien für Quantencomputing

2. Halbleiterbasierte Spin Qubits

Quantencomputing

Hier dient der Spin eines Elektrons in einem Halbleiter-Bauelement (z. B. Silizium) als Qubit. Halbleiterbasierte Qubits sind eine vielversprechende Art von Qubits für Quantencomputer, da sie auf den gleichen Materialien und Herstellungsverfahren wie herkömmliche Chips basieren. Durch die Nutzung bekannter CMOS-Fertigungsmethoden könenn diese Qubits potenziell in großer Zahl miniaturisiert und integriert werden. Ein Hauptvorteil ist die Möglichkeit, die Steuerelektronik direkt auf dem Chip zu integrieren, was Skalierbarkeit ermöglicht und die Herstellung von größeren und leistungsfähigeren Quantencomputern erleichtern könnte.

Das Fraunhofer IPMS beteiligt sich durch die Nutzung adaptierter Prozesse aus der CMOS-Fertigung. Der Schwerpunkt liegt auf der Nutzung unseres hochmodernen 300 mm CMOS-Reinraums, um Technologieverbesserungen für skalierbares Quantencomputing bereitzustellen.

Projekte & Pilotlinien:

Forschungsprojekt

QUASAR

Innovative Fertigungsmethoden für skalierbare Qubits

Forschungsprojekt

QLSI

Skalierbare Silizium-Qubits für Quantencomputer

Forschungsprojekt

Qu-Pilot

Pilotproduktionskapazitäten für Quantentechnologien

3. Photonienbasierte Qubits

Quantencomputing

Bei photonischen Qubits werden Lichtteilchen (Photonen) genutzt, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Diese Technologie ist vielversprechend, da sie oft bei Raumtemperatur arbeitet. Zusätzlich lassen sich Photonen mit über weite Strecken in Glasfaserkabeln übertragen und sind weniger anfällig für Umwelteinflüsse. 

Das Fraunhofer IPMS entwickelt integrierte, monolitische Ansteuerungstechnologien der optoelektronischen Bauelemente des photonischen Quantencomputers sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik.

4. Qubits in neutralen Atomen

Quantencomputing

Neutralatom-Qubits nutzen elektrisch neutrale Atome als Quantenbits. Sie werden in optischen Fallen gefangen und per Laser kontrolliert, um Berechnungen durchzuführen und Verschränkung zu erzeugen. Dieser Ansatz bietet Vorteile wie eine hohe Skalierbarkeit und lange Kohärenzzeiten.

Zur programmierbaren Modulation von Lichtintensität oder -phase entwickelt das Fraunhofer IPMS Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators; SLMs). Um skalierbare und effiziente Quantencomputing-Prozesse zu ermöglichen, müssen diese Komponenten auch für spezifische Wellenlängenbereiche geeignet sein. Das Fraunhofer IPMS bietet hier gezielt phasenschiebende, diffraktive Senkspiegel-MEMS-SLMs, die neue Dimensionen in Bezug auf Präzision und Skalierbarkeit bieten.

Netzwerke & Mitgliedschaften:

Quantencomputing

Webseite

SAX-QT

Sächsisches Netzwerk für Quantentechnologien

Webseite

QBN

Quantum Business Network

Webinare

Quantencomputing

Webinar

Advanced Technology and Hardware for Next Generation Computing

Webinar

Leveraging Semiconductor Manufacturing

for large-scale Quantum Computing Technology

Webinar

Halbleitertechnik trifft Quantencomputing