Quantensprung: Der weltweit erste hybride Quanten‑Photonik‑Chip

Mit steigenden Investitionen und zunehmenden Durchbrüchen ist die Quantentechnologie näher denn je daran, Realität zu werden. 

Laut McKinsey sind die drei Hauptpfeiler der Quantentechnologie, nämlich Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantensensorik, zusammen könnten innerhalb des nächsten Jahrzehnts weltweit rund $97 Milliarden an Umsatz generieren. 

Die Technologie befasst sich mit den Prinzipien der Quantenmechanik, um innovative Technologien zu schaffen, die die Fähigkeiten klassischer Technologien übertreffen.

Eine der vielversprechenden Methoden zur Entwicklung von Quantentechnologien ist die Photonik. Dies liegt an ihrer natürlichen Kompatibilität mit optischen Verbindungen für die Verschränkung, ihrer Robustheit gegenüber Dekohärenz bei Raumtemperatur und ihrer Fähigkeit, auf Chip‑Größe verkleinert zu werden.

Photonik ist die Wissenschaft des Lichts (Photonen) und befasst sich mit der Erzeugung, Detektion und Manipulation von Licht für verschiedene Anwendungen.

Für quanten‑photonische Systeme bietet Silizium‑Photonik die am besten skalierbare Plattform. Sie können mit den Halbleiter‑Fertigungstechniken gebaut werden, die in der Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor (CMOS) Mikroelektronik‑Industrie entwickelt wurden und bereits Chips in großem Maßstab produzieren.

Während Silizium‑Photonik bald verwendet werden könnte, um eine enorme Anzahl physikalischer Qubits zu erzeugen, die für nützliche Quanteninformationsverarbeitung in miniaturisierten optischen Geräten zur Erzeugung und Manipulation von Quantenzuständen des Lichts erforderlich sind, stellt der eigentliche Bau dieser silizium‑quanten‑photonischen integrierten Schaltkreise ernsthafte Herausforderungen dar.

Die Probleme hängen mit thermischer Übersprechung, freien Ladungsträgern und selbst‑erwärmenden Nichtlinearitäten zusammen sowie mit der Notwendigkeit, die extreme Empfindlichkeit gegenüber jeglichen Temperatur‑ und Prozess‑Variationen zu managen. 

Das Problem ist, dass silizium‑basierte Quanten‑Photonik‑Geräte für ein korrektes Funktionieren kontinuierliche Überwachung sowie Steuerung durch elektronische Schaltungen benötigen. Daher wurden sperrige Off‑Chip‑Elektroniken eingesetzt, die die Probleme teilweise lösen, aber dies gleichzeitig viele Vorteile einer Chip‑Skala‑Plattform aufgeben. 

Um das volle Potenzial von Silizium‑Photonik als Plattform für Quanteninformationsverarbeitung zu realisieren, müssen wir das klassische Steuerungsengpassproblem lösen.

Ein interdisziplinäres Forscherteam hat daher ein elektronisch‑photonisches Quanten‑System‑auf‑Chip vorgestellt. Es wird in einer kommerziellen 45‑nm‑CMOS‑Mikroelektronik‑Fabrik hergestellt.

Dies ist der weltweit erste Hybrid‑Chip, der Elektronik, Photonik und Quanten‑Leistung kombiniert. 

Der Einsatz von CMOS macht die Forschung umso lobenswerter. Diese Halbleitertechnologie ist das Fundament moderner Elektronik. Unternehmen wie Samsung, Sony, Intel und TSMC nutzen sie zur Massenproduktion von Elektronik.

Der 45 nm‑Knoten ist hingegen bewährt und kosteneffizient. Er ist zudem mit der breiten Infrastruktur der Silizium‑Fertigung kompatibel.

Ihr vollständig integrierter, modularer Steuerungsansatz, so das Team, „ebnet den Weg für Silizium‑Quanten‑Photonik, um das massive Skalenniveau zu erreichen, das für zukünftige Generationen von Quanten‑Informationssystemen erforderlich ist.“

Interdisziplinäre Zusammenarbeit bringt Quantentechnologie der Realität näher

Die neueste Studie, die einen bedeutenden Durchbruch in der Quantentechnologie markiert, wurde von Forschern der UC Berkeley, der Boston University und der Northwestern University durchgeführt.

“Die Art der interdisziplinären Zusammenarbeit, die diese Arbeit erforderte, ist genau das, was nötig ist, um Quantensysteme vom Labor zu skalierbaren Plattformen zu bringen. Ohne die kombinierten Anstrengungen in Elektronik, Photonik und Quantenmessung hätten wir das nicht geschafft.”

– Prem Kumar, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Northwestern

Die Forschung wurde von der National Science Foundation unterstützt. Veröffentlicht in Nature Electronics, beschreibt die Studie das System¹, das erfolgreich Quantenlichtquellen und stabilisierende Elektronik auf einem einzigen Silizium‑Chip integriert hat, gefertigt mit dem standardmäßigen 45‑nm‑Halbleiterprozess.

Diese Kombination ermöglicht es dem Chip, kontinuierlich Ströme korrelierter Photonpaare zu erzeugen, die die Grundlage verschiedener Quantenanwendungen bilden.

Jeder Silizium‑Chip verfügt über ein Array von „Quantenlichtfabriken“, insgesamt zwölf unabhängige Quantenlichtquellen, die durch Laserlicht betrieben werden. Sie nutzen zudem Mikroring‑Resonatoren zur Erzeugung von Photonpaaren. Jede dieser Quellen hat eine Größe von weniger als einem Millimeter in jeder Richtung.

Dies stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung Entwicklung komplexerer Quantensysteme dar, die aus mehreren miteinander verbundenen Chips bestehen, sowie in die Massenproduktion von „Quantenlichtfabrik“-Chips. Laut dem leitenden Studienautor Miloš Popović, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik an der BU:

“Quantencomputing, -kommunikation und -sensing befinden sich auf einem jahrzehntelangen Weg vom Konzept zur Realität. Dies ist ein kleiner, aber wichtiger Schritt auf diesem Weg, weil er zeigt, dass wir wiederholbare, kontrollierbare Quantensysteme in kommerziellen Halbleiter‑Fabriken bauen können.”

Derzeit unterscheidet sich die Quantentechnologie in den frühen Entwicklungsstadien von bestehenden Computern, die klassische Bits verwenden, die entweder Null oder Eins sind, indem sie Quantenbits (Qubits) nutzt. 

Diese Qubits können gleichzeitig in einer Superposition beider Zustände existieren, wodurch Quantencomputer Berechnungen parallel ausführen können, was wiederum zu enormen Geschwindigkeitssteigerungen führt. Hierbei ist Superposition das Vorhandensein eines Quantensystems in mehreren Zuständen gleichzeitig. 

Den Skalierbarkeitscode mit Echtzeit‑Selbstabstimmung knacken

Jetzt gibt es verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für Quantentechnologie, und Photonik ist eine davon, bei der ein kontrollierter Lichtstrom, einzelne Photonen oder verschränkte Photonpaare benötigt werden, um ihre Funktion zu erfüllen. 

Diese stetigen Ströme von Quantenlicht werden mit Geräten wie Mikroring‑Resonatoren und Quantenpunkten erzeugt.

Mikroring‑Resonatoren sind präzise konstruierte photonische Geräte, die die Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts auf einem Chip ermöglichen. Sie sind wesentliche Elemente in der Silizium‑Photonik, da sie eine sehr effiziente Möglichkeit bieten, Licht im Nanometerskalen‑Bereich zu leiten. Dies wird erreicht, indem das Licht in einem Kreis umgeleitet wird, um eine Zielwellenlänge (Resonanz) zu erreichen.

Um Ströme von Quantenlicht in Form korrelierter Photonpaare zu erzeugen, müssen die Mikroring‑Resonatoren mit dem einfallenden Laserlicht, das jede Quantenlicht‑Fabrik auf dem Chip antreibt, synchron abgestimmt werden. Es dient zudem als Treibstoff für den Erzeugungsprozess.

Die Resonatoren sind jedoch sehr empfindlich gegenüber Temperatur‑ und Fertigungsvariationen. Dies kann dazu führen, dass sie aus der Synchronisation geraten und die kontinuierliche Erzeugung von Quantenlicht stören.

Um die Störung der Lichtgenerierung zu verhindern, wenn Resonatoren aus der Synchronisation geraten, entwickelte das Team ein integriertes System, das Quantenlichtquellen auf dem Chip aktiv stabilisiert, insbesondere die Resonatoren die Ströme korrelierter Photonen erzeugen. Diese Lichtquellen sind in jedem Chip vorhanden und arbeiten parallel. 

“Was mich am meisten begeistert, ist, dass wir die Steuerung direkt auf dem Chip integriert haben – die Stabilisierung eines Quantenprozesses in Echtzeit. Das ist ein entscheidender Schritt zu skalierbaren Quantensystemen.”

– Anirudh Ramesh, Doktorand an der Northwestern, der die Quantenmessungen leitete

Interessanterweise ist die extreme Empfindlichkeit der Mikroring‑Resonatoren tatsächlich die Grundlage der Quantenlichtquellen, der eigentliche Grund, warum Quantenlichtströme effizient und auf minimaler Chipfläche erzeugt werden können. Dennoch können selbst kleine Temperaturänderungen den Prozess der Photon‑Paar‑Erzeugung erheblich beeinflussen. 

Um dieses Problem zu überwinden, implantierten die Forscher ein Echtzeit‑Steuersystem direkt auf dem Chip. Sie integrierten Photodioden in jeden Resonator auf spezielle Weise, sodass sie die Leistung, insbesondere die Ausrichtung mit dem einfallenden Laser, überwachen konnten, während die Quantenlichtgenerierung erhalten blieb.

Gleichzeitig passen Miniatur‑Heizungen und die Steuerlogik auf dem Chip die Resonanz kontinuierlich an Drift an. So bleibt das Gerät, selbst bei schwankenden Bedingungen, vorhersehbar, da die eingebaute Rückkopplungsschleife den Quantenlichtgenerierungsprozess aufrechterhält.

Die Selbstabstimmung ermöglicht es allen zwölf Resonatoren, perfekt synchron zusammenzuarbeiten, ohne sperrige Stabilisierungsausrüstung zu benötigen. Dies ist ein wichtiger Punkt, da es eine Schlüsselvoraussetzung für die Skalierung von Quantensystemen darstellt. Laut Imbert Wang, Doktorand an der Boston University, der das photonische Gerätedesign leitete:

“Eine zentrale Herausforderung im Vergleich zu unserer vorherigen Arbeit bestand darin, das Photonikdesign zu den anspruchsvollen Anforderungen der Quantenoptik zu bringen und gleichzeitig innerhalb der strengen Vorgaben einer kommerziellen CMOS‑Plattform zu bleiben. Das ermöglichte das Co‑Design von Elektronik und Quantenoptik als einheitliches System.”

Das gesamte System wurde auf einer kommerziellen 45‑nm‑CMOS‑Chip‑Plattform gefertigt, die durch eine Zusammenarbeit zwischen BU, UC Berkeley, GlobalFoundries und Ayar Labs entwickelt wurde. Das Startup Ayar Labs ist an der Entwicklung von Technologie für Chips mit Lichtimpulsen beteiligt und hat 155 Millionen Dollar Risikokapital von AMD Ventures, Intel Capital und Nvidia bei einer Bewertung von 1 Milliarde Dollar erhalten, was „die Grundlage für die Massenproduktion legt.“

Der Fertigungsprozess ermöglicht fortschrittliche optische Verbindungen für KI und Supercomputing, und nun komplexe quanten‑photonische Systeme auf einer skalierbaren Silizium‑Plattform.

“Unser Ziel war zu zeigen, dass komplexe quanten‑photonische Systeme vollständig innerhalb eines CMOS‑Chips gebaut und stabilisiert werden können. Das erforderte eine enge Koordination über Domänen hinweg, die normalerweise nicht miteinander kommunizieren.”

– Daniel Kramnik, Doktorand an der UC Berkeley, der das Chip‑Design, die Verpackung und Integration leitete

Die Abhängigkeit des Chips von bereits eingesetzten Techniken bedeutet, dass keine neuen Aufbauten erforderlich sind, was wiederum den Weg für skalierbares Quantencomputing ebnet.

Investition in Quantensysteme 

Die Welt der Quantentechnologie macht rasante Fortschritte und rückt mit jedem Jahr näher an die Realität. Hier ist International Business Machines (IBM ) einer der Vorreiter in diesem Bereich, insbesondere im Quantencomputing. Kürzlich veröffentlichten Forscher von IBM® und dem Quanten‑Startup Pasqal ein Whitepaper², in dem sie die Definition von Quanten‑Advantage darlegten, wie die Behauptungen wissenschaftlich validiert werden können und Wege zu deren Erreichung aufzeigten.

International Business Machines (IBM )

Diesen Monat arbeitete IBM Quantum sogar mit Moderna zusammen, um die mRNA‑Struktur mittels Quantensimulation zu modellieren. Dafür nutzten sie 80 Qubits eines IBM Quantum Heron‑Prozessors, der einen spezialisierten Algorithmus ausführte, um die „menschliche Gesundheit zu verbessern“.

“Wir halten es für entscheidend, jedes verfügbare Werkzeug, einschließlich Quantencomputing, zu erforschen, um unseren Fortschritt heute zu skalieren, anstatt darauf zu warten, dass die Technologie in der Zukunft vollständig ausgereift ist.”

– Alexey Galda, Associate Scientific Director für Quantenalgorithmen und -anwendungen bei Moderna

Letzten Monat machte IBM zudem eine große Ankündigung, dass es den weltweit ersten groß‑skaligen Quantencomputer baut, den es voraussichtlich 2029 an Kunden liefern wird. 

Der fehlertolerante Quantencomputer namens IBM Starling wird 20.000‑mal leistungsfähiger sein als die bestehenden Quantencomputer und “würde den Speicher von mehr als einem Quindecillion der leistungsstärksten Supercomputer der Welt erfordern.”

Laut dem Fahrplan des Unternehmens wird die Einführung von Starling mehreren Meilensteinen folgen, darunter die erste Demonstration von ‘Quantum Advantage’ im nächsten Jahr, bei der Quantencomputer beginnen werden, klassische Computer in praktischen Rechenanwendungen zu übertreffen.

Aber davor wird IBM Quantum Loon später in diesem Jahr zusammen mit seinem Nighthawk‑Chip debutieren. Und irgendwann im nächsten Jahr wird IBM Quantum Kookaburra folgen, der den ersten modularen Prozessor des Unternehmens präsentiert, um codierte Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Anschließend wird IBM Quantum Cockatoo im darauffolgenden Jahr eingeführt, dessen Architektur “Quantenchips wie Knoten in einem größeren System verbinden wird und so die Notwendigkeit vermeidet, unpraktisch große Chips zu bauen.”

Diese Veröffentlichungen werden letztlich zur Einführung von Starling führen, bevor das Jahrzehnt zu Ende geht. Diese Innovation zielt darauf ab, “100 Millionen Quantenoperationen mit 200 logischen Qubits” auszuführen.

Mit Starling will IBM reale Herausforderungen lösen, etwas, das die Quantentechnologie bisher nicht erreicht hat. Laut CEO Arvind Krishna wird ihr Quantencomputer zudem “enorme Möglichkeiten für Unternehmen freischalten”.

Laut dem Fahrplan gehen IBMs Ziele im Quantencomputing über Starling hinaus. Blue Jay wird die zweite Generation einer fehlertoleranten Quanten‑Computing‑ISA sein, die voraussichtlich erst nach 2033 verfügbar sein wird. Bis dahin könnte die Rechenplattform auf 1 Milliarde Gatter und 2.000 logische Qubits skalieren. 

Bezüglich der Marktperformance von IBM mit einer Marktkapitalisierung von 262 Mrd. $, das ein Anbieter von globalen Hybrid‑Cloud‑ und KI‑ sowie Beratungsdienstleistungen ist, werden die Aktien derzeit über 265 $ gehandelt, ein Anstieg von 28,29 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 2,38 %.

Kürzlich meldete das Unternehmen seine Q2‑2025‑Ergebnisse, die einen Umsatzanstieg von 8 % auf 17 Mrd. $ zeigten, 6,1 Mrd. $ an Netto‑Cash‑Flow aus operativen Aktivitäten und einen freien Cash‑Flow von 4,8 Mrd. $.

“Wir haben erneut die Erwartungen an Umsatz, Gewinn und freien Cash‑Flow im Quartal übertroffen. IBM bleibt aufgrund unserer tiefgreifenden Innovation und Fachkompetenz, die beide entscheidend sind, um Kunden bei der Einführung und Skalierung von KI zu unterstützen, stark differenziert im Markt. Unser Portfolio im Bereich generative KI beschleunigt weiter und liegt jetzt bei über 7,5 Mrd. $.”

– CEO Krishna

Neueste International Business Machines (IBM) Aktiennachrichten und -entwicklungen

Fazit

Quantentechnologie entwickelt sich rasant und schreitet von einem Konzept zu einer skalierbaren Industrie voran, angetrieben durch Durchbrüche wie hybride Quanten‑elektronische‑photonische Chips. 

Durch die Integration von Quantenlichtquellen, stabilisierender Elektronik und skalierbarer Fertigung in einem einzigen Chip hat die Studie optimal einen Fahrplan für die Quanten‑Zukunft geschaffen. Und während quanten‑photonische Systeme Fortschritte machen, könnten die neuesten Hybrid‑Chips die Grundlage für Technologien wie fortschrittliche Sensorik, sichere Kommunikationsnetze und Quantencomputing werden.

Da IBM massive Quantenprozessoren baut, sind die Zeiten zweifellos spannend, und das nächste Jahrzehnt scheint ideal, um den Moment zu markieren, in dem Quantencomputing endlich reale Auswirkungen erzielt.

Klicken Sie hier für eine Liste der führenden Quantencomputing‑Unternehmen 2025.

Referenzen:

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. Skalierbare Rückkopplungs‑Stabilisierung von Quantenlichtquellen auf einem CMOS‑Chip. Nature Electronics, 8, (2025). Online veröffentlicht am 14. Juli 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi‑Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. Ein Rahmenwerk für Quanten‑Advantage. arXiv‑Preprint arXiv:2506.20658v2 [quant‑ph] (2025). Online veröffentlicht am 14. Juli 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658