Massenproduzierbare photonische Chips könnten die Quantenskalierung ermöglichen

Ingenieure der University of Colorado in Boulder haben einen entscheidenden Schritt für die Verbreitung von Quantencomputern erreicht: die Skalierbarkeit. Die für die Herstellung von Quantengeräten erforderliche extreme Präzision konnte bisher nicht in großem Maßstab reproduziert werden, weshalb diese Geräte für die meisten Menschen weiterhin unerschwinglich sind.

Zum Glück wird sich diese Situation in den kommenden Jahren ändern, da diese jüngste Entwicklung traditionelle CMOS-Fertigungsmethoden nutzt, um stabile Quantenchips herzustellen, die deutlich kleiner und kostengünstiger sind als alle heute erhältlichen Produkte. Hier erfahren Sie, was Sie wissen müssen.

Quantencomputer vs. klassisches Computing: Der photonische Unterschied

Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern verwenden Quantencomputer keine Bits und Chips. Stattdessen nutzen sie Quantenüberlagerung und Qubits zur Durchführung von Berechnungen. Eine der gängigsten Methoden zum Bau von Quantencomputern basiert auf der Verwendung optischer photonischer Modulatoren.

Diese Geräte ermöglichen es Quantencomputern, gefangene Ionen oder neutrale Atome als Qubits zu nutzen. Mithilfe dieser Chips können Ingenieure einen abstimmbaren Laser auf die Qubits richten, die über Frequenzmodulationen Rechenanweisungen übermitteln.

Der Skalierbarkeitsengpass: Warum die Massenproduktion scheiterte

Die aktuellen Herstellungsverfahren für Quantencomputer weisen mehrere Probleme auf. Vor allem fehlt es an Möglichkeiten zur Massenproduktion. Diese Chips sind so empfindlich und präzise, ​​dass sie in den meisten Fällen einzeln im Labor gefertigt werden müssen. Derzeit beruht die Montage darauf, dass Ingenieure den Großteil des Geräts von Hand zusammenbauen.

Darüber hinaus integrieren diese Geräte Hochleistungslaserstrahlen, um eine präzise Abstimmung mehrerer Qubits zu ermöglichen. Daher müssen sie zuverlässig und hitzebeständig sein, insbesondere im Hinblick darauf, dass zukünftige Quantencomputer Tausende von Qubits nutzen könnten.

Formfaktorgrenzen

Aktuelle Quantenchips sind für die meisten Anwendungen zu groß. Sie benötigen kryogene Kühlung, lange optische Wege und weit auseinanderliegende Qubit-Anordnungen. Diese Anordnung trägt zwar zur Rauschreduzierung bei, macht sie aber im Vergleich zu herkömmlichen Computerchips extrem groß.

Zukünftige Generationen von Quantencomputern werden zudem mehr Qubits nutzen, was bedeutet, dass die fortschrittlichsten Quantencomputer von heute im Vergleich zu dem, was in etwa zehn Jahren öffentlich verfügbar sein wird, nur ein Tropfen auf den heißen Stein sind. Folglich müssen diese Geräte auf eine handliche Größe verkleinert werden, bevor sie breite Anwendung finden können.

Hitze zerstört den Quantenzustand

Die gesamte Laserenergie, die zur Kommunikation mit den Qubits benötigt wird, stellt ein weiteres Problem dar, da sie viel Wärme erzeugt. Wärme war schon immer ein Problem für Computer, unabhängig von ihrer Bauart. Quantencomputer sind jedoch darauf angewiesen, einen fragilen Quantenzustand aufrechtzuerhalten, um Berechnungen durchführen zu können. Deshalb benötigen sie kryogene Kühlung. Folglich kann Wärme diese Geräte unbrauchbar machen.

Durchbruch: CMOS-kompatible photonische Schaltungen

Die Studium "Gigahertz-Frequenz-akustooptische Phasenmodulation von sichtbarem Licht in einem CMOS-gefertigten photonischen Schaltkreis,„veröffentlicht¹ in der Fachzeitschrift Nature Communications wird ein völlig neuer Ansatz zur Herstellung optischer Quantenchips vorgestellt.

Das neue Verfahren gilt vielen als erster Schritt hin zur photonischen Computerrevolution. Das Gerät, das 100-mal dünner ist als ein Haar, integriert modulare Technologien, um ein neues Maß an Effizienz und Stabilität zu erreichen.

Dieser speziell entwickelte akustooptische Phasenmodulator im Gigahertz-Frequenzbereich kombiniert einen piezoelektrischen Wandler mit einem photonischen Wellenleiter und minimiert so den Formfaktor bei gleichzeitiger Beibehaltung der Struktur im Wellenlängenbereich.

Optischer Phasenmodulator

Der verbesserte optische Phasenmodulator kann Laserlicht mithilfe von Mikrowellenfrequenzen steuern. Die Mikrowellen regen das Licht an und versetzen es zu Milliarden von Schwingungen pro Sekunde, was eine präzise Abstimmung sowie erhöhte Stabilität und Effizienz ermöglicht. Konkret integriert der akustooptische Modulator einen photonischen Wellenleiter, der auf einem piezoelektrischen Wandler montiert ist.

CMOS-Fertigung ermöglicht Massenproduktion

Um die strengen Größenanforderungen zu erfüllen, entschieden sich die Ingenieure, das Bauelement auf einem 200-mm-Wafer herzustellen, der anschließend in 120 einzelne Chips geschnitten wurde. Das Verfahren nutzte eine piezo-optomechanische Aluminiumnitrid-SiNx-Plattform, die es den Ingenieuren ermöglichte, durch Phasenmodulation Gigahertz-Frequenzseitenbänder an einem 730-nm-Lasereingang zu erzeugen.

Noch beeindruckender ist, dass sie für die Herstellung der Geräte auf Standardtechniken der Chipfertigung zurückgriffen, was bedeutet, dass sie in Zukunft in Massenproduktion hergestellt werden können und somit den Zugang zu Quantencomputern erleichtern.

Bei der Erläuterung ihres Ansatzes sprachen die Ingenieure darüber, wie die CMOS-Fertigung den Höhepunkt skalierbarer Technologie darstellt und wie deren Einsatz zur Herstellung von Quantenchips für die weitere Verbreitung von entscheidender Bedeutung ist.

Die Ingenieure erläuterten insbesondere, wie diese Technologie viele Ihrer beliebtesten Hightech-Geräte ermöglicht hat, darunter Smartphones, Laptops und andere Geräte, die Sie täglich nutzen. Sie erklärten, wie sie zur Verbreitung dieser Technologie beigetragen hat und wie sie dies auch für zukünftige quantenbasierte Geräte tun wird.

Quelle - Nature Communications veröffentlicht

Dualmodus-Betrieb: Optisch und elektromechanisch

Der optische Phasenmodulator kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden. Der erste ist der Ausbreitungsmodus, der photonische Wellenleiter auf Schaltkreisen ausbreitet und führt. Diese Strategie unterstützt die Verteilung, das Routing und die Kohärenz von Verschränkung und ist daher für die meisten Anwendungen unerlässlich.

Der zweite Modus ist die elektrisch anregbare mechanische Resonanz im Atmungsmodus. Dabei werden Mikrowellen auf Nanostrukturen angewendet, wodurch eine piezoelektrische Aktuierung entsteht. Diese Mikrowellen verändern die Photonenschwingungsraten und die optischen Felder. Dieser Modus unterstützt hohe optische Leistungen und eignet sich daher ideal für fortgeschrittene Quantenberechnungen.

Leistungsbenchmarks: Stabilität und Effizienz

Die Ingenieure führten mehrere Tests mit einem Hochfrequenzspektrumanalysator durch, um die Ausgangsleistung des Chips zu prüfen. Dazu montierte das Team den Chip auf einem Arm, der mit einer Laserquelle und einem Faserinterferometer gekoppelt war.

Das andere Ende des Geräts war mit einem akustooptischen Frequenzumsetzer (AOFS) verbunden. Die Ingenieure leiteten Licht durch beide Enden des Geräts und kombinierten es anschließend mithilfe eines 50/50-Richtkopplers. Dadurch konnten die Photonen gezielt auf den Spektrumanalysator gerichtet werden, was die Genauigkeit erhöhte.

Der neue Chip erreichte eine optische Nennleistung von 730 nm und übertraf damit das von den Ingenieuren angestrebte Ziel von 500 mW. Darüber hinaus konnte das Team die Geometrie des Bauelements optimieren, um die optomechanische Wechselwirkung weiter zu verbessern. Dieser Test ergab Modulationsgrade von bis zu 4.85 rad mit nur 80 mW Mikrowellenleistung bei einer Frequenz von 2.31 GHz.

Beeindruckenderweise wies das Gerät den geringsten Frequenzverlust aller bisher verwendeten Chips auf. Die Ingenieure stellten insbesondere fest, dass der neue Chip 15-mal stabiler und 100-mal effizienter im Hinblick auf den Mikrowellenleistungsbedarf als die derzeit verwendeten Quantenchips ist.

Wichtigste Vorteile der CMOS-Fertigung

Die Massenproduktion von Photonikchips bietet viele Vorteile für den Markt. Zum einen lassen sie sich in großen Stückzahlen herstellen, wodurch die Technologie von einem exklusiven Bereich zu einer weit verbreiteten Computeroption wird. Dieses Herstellungsverfahren ist kostengünstiger und ermöglicht es Ingenieuren, relativ kleine Quantencomputer mit Tausenden von Qubits zu entwickeln.

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Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht erstmals die Produktion identischer Versionen dieser hochentwickelten, komplexen Geräte. Dadurch können Ingenieure ihre zukünftigen Quantencomputer-Designs mithilfe bereits bestehender Methoden entwickeln und an die breite Masse verbreiten.

Small Size

Einer der größten Vorteile dieser Bauweise ist ihre geringe Größe. Mit einer Größe, die 100-mal kleiner ist als ein menschliches Haar, können diese Chips leistungsstarke Quantencomputer-Designs unterstützen. Diese Einheiten werden Tausende von Qubits integrieren, ähnlich wie IBMs (IBM -3.43 %)Der Condor-Chip verarbeitet 1,121 Qubits, hat aber aufgrund des größeren Laminats eine wesentlich größere Bauform.

High Performance

Beeindruckenderweise könnten diese Chips Rechenleistung auf dem Niveau heutiger Spitzenrechner bieten. Sie unterstützen optische Leistung von über 500 mW, was derzeit die Obergrenze für High-End-Quantencomputer darstellt. Darüber hinaus ermöglicht das neue Chipdesign höhere optische Leistung und Präzision bei deutlich geringerem Stromverbrauch.

Effizienter

Die in diesem Verfahren verwendete Phasenmodulation benötigt deutlich weniger Mikrowellenleistung als bisherige Methoden. Die Ingenieure stellten fest, dass ihr Gerät Quantenoperationen mit 80-mal weniger Energie durchführen kann. Dadurch entsteht wesentlich weniger Wärme, was die Kombination mit mehr Chips und somit die Entwicklung leistungsstärkerer Geräte ermöglicht.

Anwendungsbeispiele aus der Praxis: Sensorik und Vernetzung

Diese Technologie bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Ihr offensichtlichster Nutzen liegt in der Unterstützung zukünftiger Quantencomputer. Die Hochleistungschips sind klein genug, um dicht aneinander angeordnet zu werden, und energieeffizient genug, um in dieser Konfiguration keine Überhitzungsprobleme zu verursachen.

Quantensensorik

Quantensensoren bieten eine deutlich höhere Genauigkeit als herkömmliche Sensoren. Dies erreichen sie durch Superposition, Verschränkung und Quetschung. Dadurch können die Sensoren Änderungen von Magnetfeldern, Schwerkraft, Zeit, Temperatur und vielem mehr präzise messen. Diese Chips könnten dazu beitragen, dass solche Sensoren erschwinglicher werden.

Quantenvernetzung

Eine weitere wichtige Anwendung ist die Quantenvernetzung. Diese Technologie nutzt Verschränkung, um Daten mit hohen Übertragungsraten zu übertragen. Konkret verwendet sie Quanten-Bell-Paare und Teleportation, um Zustände ohne Klonen zu übertragen. Ziel dieser Technologie ist es, eines Tages eine Infrastruktur für das Quanteninternet zu schaffen.

Weg zur Kommerzialisierung: Der 7- bis 10-Jahres-Fahrplan

Es wird etwa 7–10 Jahre dauern, bis diese Technologie öffentlich zugänglich ist. Entscheidend ist, dass dieses Herstellungsverfahren die Verbreitung von Quantentechnologien maßgeblich vorantreiben wird, doch zunächst muss es perfektioniert werden. Sobald jedoch ein geeigneter Hersteller gefunden ist, wird die kostengünstige Strategie die weitere Integration und Akzeptanz fördern.

Forschungsteam & Finanzierung

Die University of Colorado in Boulder war Gastgeber der Studie zu photonischen Chips unter Beteiligung der Sandia National Laboratories. Konkret trugen Nils T. Otterstrom, Matt Eichenfield, Jacob M. Freedman, Matthew J. Storey, Daniel Dominguez, Andrew Leenheer und Sebastian Magri zu dieser Arbeit bei.

Die Studie erhielt finanzielle und materielle Unterstützung vom US-Energieministerium im Rahmen des Quantum Systems Accelerator-Programms, das vom National Quantum Initiative Science Research Center veranstaltet wird.

Zukünftige Forschungsziele

Das Team konzentriert sich nun auf die Entwicklung integrierter photonischer Schaltungen, die bisherige Leistungsmerkmale übertreffen sollen. Die Gruppe arbeitet daran, ihre Fähigkeiten zur Frequenzerzeugung und Filterung auf Chipebene sowie ihren Ansatz zur Impulsformung weiter zu verbessern, um die Leistung weiter zu steigern.

Die Ingenieure werden außerdem strategische Partner suchen, um ihr Fertigungsverfahren in die Praxis umzusetzen. Dazu gehört die Kontaktaufnahme mit führenden CMOS-Fertigungsstandorten, um einen Teil ihrer Produktionsanlagen für dieses neue Chipdesign zu sichern.

Top-Aktie im Bereich Quantencomputing im Blick behalten

Der Quantencomputersektor wächst stetig, und der Wettbewerb nimmt monatlich zu. Führende Entwickler, Chiphersteller und Programmierer von Quantencomputern treiben die Technologie kontinuierlich voran und ermöglichen so Innovationen in der Rechenleistung. Hier ist ein Unternehmen, das an der Spitze dieser Revolution steht.

IonQ (IONQ): Ein führender Anbieter von Ionenfallensystemen

IonQ (IONQ -2.19 %) Das Unternehmen wurde 2015 gegründet, um die Quantentechnologie voranzutreiben. Es wurde von den beiden Quantencomputing-Experten Christopher Monroe und Dr. Jungsang Kim gegründet. Monroe gilt als Pionier der Quantenforschung und hat maßgeblich zu deren Entwicklung beigetragen.

IonQ hat maßgeblich zur technologischen Innovation beigetragen, unter anderem durch die Entwicklung des ersten funktionsfähigen 5-Ytterbium-Ionen-Chips mit dem Deutsch-Jozsa-Algorithmus. Zudem brachte das Unternehmen die erste kommerzielle QCaaS-Lösung mit gefangenen Ionen auf den Markt. Diese Entwicklungen ermöglichten es dem Unternehmen, 636 Millionen US-Dollar einzuwerben.

Das Unternehmen bietet derzeit mehrere High-End-Quantenprodukte an, darunter das Aria 32-Qubit-Rackmount-System. Darüber hinaus hat es strategische Partnerschaften mit AWS, Azure, Google Cloud und anderen führenden Cloud-Anbietern geschlossen.

Wer einen renommierten Anbieter von Quantencomputern mit langjähriger Erfahrung sucht, sollte IonQ näher unter die Lupe nehmen. Das Unternehmen hat derzeit eine Marktkapitalisierung von 16.3 Milliarden US-Dollar. Bemerkenswert ist, dass die Aktie in letzter Zeit einige Kursschwankungen aufwies, mit einem Höchststand von 84.64 US-Dollar und einem Tiefststand von 17.88 US-Dollar.

Aktuelle Aktiennachrichten und Performance von IonQ (IONQ)

Fazit

Die Bedeutung der erfolgreichen Entwicklung eines Verfahrens zur Massenproduktion von Photonikchips kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Diese Technologie ist der Kern der Weiterentwicklung des Quantencomputings und muss perfektioniert werden, bevor sie öffentlich zugänglich wird. Diese jüngste Entwicklung wird die Kosten für die Herstellung von Quantengeräten mit Sicherheit senken, was wiederum zukünftig eine stabile Versorgung des Marktes mit Chips gewährleisten sollte.

Erfahren Sie mehr über weitere spannende technologische Innovationen im Computerbereich. Hier.

Referenzen

^{1. Freedman, JM, Storey, MJ, Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, NT & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-Frequenz-akustooptische Phasenmodulation von sichtbarem Licht in einem CMOS-gefertigten photonischen Schaltkreis. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}