Quantencomputing

Quantencomputing „Made in Europe“: Fraunhofer IPMS forscht an supraleitenden Qubits, Spin-Qubits, photonenbasierten Qubits und Neutralatom-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.

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, Kryogene 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.

Pilotlinie

Qu-Pilot

Pilotproduktionskapazitäten für Quantentechnologien

2023 - 2026

Forschungsprojekt

QSolid

Quantum computer in the solid state

2021 - 2026

Forschungsprojekt

ARCTIC

Scalable cryogenic control technology for quantum processors

2024 - 2027

Forschungsprojekt

MATQu

Materialien für Quantencomputing (abgeschlossen)

2021 - 2024

2. Halbleiterbasierte Spin Qubits

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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:

Pilotlinie

Qu-Pilot

Pilotproduktionskapazitäten für Quantentechnologien

2023 - 2026

Forschungsprojekt

QLSI

Skalierbare Silizium-Qubits für Quantencomputer

2024 - 2027

Forschungsprojekt

QUASAR

Innovative Fertigungsmethoden für skalierbare Qubits

(abgschlossen) 2021 - 2025

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. Neutralatom-Qubits

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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. um Verschränkung zu erzeugen und Berechnungen durchzuführen. 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 (wie zum Beispiel den UV-Bereich) geeignet sein. Außerdem müssen sie eine schnelle und äußerst genaue Lichtmodulation ermöglichen. Das Fraunhofer IPMS bietet hier gezielt phasenschiebende, diffraktive Senkspiegel-MEMS-SLMs, die neue Dimensionen in Bezug auf Präzision und Skalierbarkeit bieten. 

Neben der Entwicklung anwendungsspezifischer MEMS-Flächenlichtmodulatoren bietet das Fraunhofer IPMS auch eine Pilotfertigung der neuen Bauelemente im institutseigenen Reinraum mit Prozessen nach Industriestandard an. So kann im Anschluss an ein Entwicklungsprojekt sichergestellt werden, dass eine ausreichende Anzahl an Flächenlichtmodulatoren für die ersten Produktserien zur Verfügung steht. Bei hohen Stückzahlen begleitet das IPMS außerdem den Transfer des Prozesses in eine externe kommerzielle MEMS-Foundry.

Paper: Dynamical spatial light modulation in the ultraviolet spectral range (Physical Review Applied)

Wertschöpfungskette im Quantencomputing

Das Fraunhofer IPMS ist entlang der gesamten Wertschöpfungskette aktiv. Eine besondere Kernkompetenz liegt im Bereich der Materialentwicklung, Kryoelektronik und Charakterisierung sowie der Prozess- und Fertigungstechnologie mit unserer 300-mm-CMOS-Linie. Auch an der Integration und Verbindungtechnik sowie Ansteuerelektronik forschen wir. Bei der Quanten-Hardware unterstützt das Fraunhofer IPMS als Komponenten- und Prozesslieferant.

Unsere Webinare

zum Thema Quantencomputing

 

Webinar

Advanced Technology and Hardware for Next Generation Computing

 

Webinar

Leveraging Semiconductor Manufacturing

for large-scale Quantum Computing Technology

 

Webinar

Halbleitertechnik trifft Quantencomputing

Netzwerke & Mitgliedschaften:

Quantencomputing

 

Netzwerk

SAX-QT

Sächsisches Netzwerk für Quantentechnologien

 

Das Fraunhofer IPMS übernimmt eine Koordinationsrolle innerhalb von Quantum Saxony. Als Schnittstelle zwischen Mikroelektronik, Halbleitertechnologie und Quantentechnologien bringt das IPMS seine langjährige Erfahrung in anwendungsnaher Forschung, industriellen Kooperationen und Technologietransfer ein.

 

Netzwerk

QBN

Quantum Business Network

 

Das Fraunhofer IPMS engagiert sich im Quantum Business Network für ein lebendiges Quantenökosystem innerhalb Deutschlands und Europas. Wir beteiligen uns mit Vorträgen, Webinaren und Veranstaltungen am Netzwerk.