Massenproduzierbare photonische Chips könnten die Skalierung von Quantencomputern ermöglichen

Ingenieure der University of Colorado at Boulder haben gerade einen entscheidenden Schritt für die Einführung von Quantencomputern gefunden – die Skalierbarkeit. Die extreme Präzision, die für die Herstellung von Quantengeräten erforderlich ist, konnte bisher nicht in großem Maßstab reproduziert werden, sodass ihre Kosten für die Mehrheit der Menschen weiterhin unerschwinglich bleiben.

Glücklicherweise wird sich diese Situation in den kommenden Jahren ändern, da diese jüngste Entwicklung traditionelle CMOS‑Fertigungsmethoden nutzt, um stabile Quantenchips zu erzeugen, die viel kleiner und erschwinglicher sind als alles, was heute verfügbar ist. Das sollten Sie wissen.

Quanten‑ vs. klassische Computer: Der photonische Unterschied

Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern nutzen Quantencomputer keine Bits und traditionellen Chips. Stattdessen basieren sie auf Quanten‑Superposition und Qubits, um Berechnungen durchzuführen. Eine der populärsten Methoden zum Bau von Quantencomputern beruht auf der Nutzung optischer photonischer Modulatoren.

Diese Geräte ermöglichen es Quantencomputern, gefangene Ionen oder neutrale Atome als Qubits zu verwenden. Die Chips erlauben Ingenieuren, einen abstimmbaren Laser auf die Qubits zu richten, die Betriebsanweisungen für Berechnungen über Frequenzmodulationen kommunizieren.

Der Skalierbarkeitsengpass: Warum die Massenproduktion scheiterte

Es gibt mehrere Probleme mit den derzeitigen Fertigungsmethoden für Quantencomputer. Hauptsächlich fehlt es an Massenproduktionsfähigkeit. Diese Chips sind so empfindlich und präzise, dass sie in den meisten Fällen laborweise einzeln gebaut werden müssen. Derzeit beruht die Montage darauf, dass Ingenieure den größten Teil des Geräts von Hand zusammenbauen.

Zusätzlich integrieren diese Geräte Hochleistungslaserstrahlen, um Präzisionstuning für mehrere Qubits zu ermöglichen. Daher müssen sie zuverlässig und hitzebeständig sein, besonders wenn man bedenkt, dass zukünftige Quantencomputer Tausende von Qubits nutzen könnten.

Formfaktor‑Grenzen

Aktuelle Quantenchips sind zu groß, um in den meisten Anwendungen eingesetzt zu werden. Sie benötigen kryogene Kühlung, lange optische Pfade und weit auseinander liegende Qubit‑Designs. Diese Anordnung reduziert zwar das Rauschen, macht sie jedoch im Vergleich zu traditionellen Computerchips extrem groß.

Zukünftige Generationen von Quantencomputern werden mehr Qubits verwenden, was bedeutet, dass die heute fortschrittlichsten Quantencomputer im Vergleich zu dem, was in einem Jahrzehnt öffentlich verfügbar sein wird, nur ein Tropfen im Ozean sind. Folglich müssen diese Geräte auf einen vernünftigen Formfaktor verkleinert werden, bevor sie eine großflächige Adoption erreichen.

Wärme zerstört den Quantenzustand

Die gesamte Laserenergie, die zur Kommunikation mit den Qubits verwendet wird, ist ein weiteres Problem, da sie viel Wärme erzeugt. Wärme war schon immer problematisch für Computer, unabhängig von ihrer Bauweise. Quantencomputer hingegen müssen einen fragilen Quantenzustand aufrechterhalten, um Berechnungen durchzuführen. Deshalb benötigen sie kryogene Kühlung. Wärme kann diese Geräte daher funktionsunfähig machen.

Durchbruch: CMOS‑kompatible photonische Schaltkreise

Die Studie „Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit“, veröffentlicht¹ in der Zeitschrift Nature Communications, stellt einen völlig neuen Ansatz zur Herstellung optischer Quantenchips vor.

Der neue Prozess wird von vielen als der erste Schritt zur photonischen Computerrevolution gesehen. Das Gerät, das 100‑mal dünner ist als ein Haarschaft, integriert modulare Technologien, um ein neues Niveau an Effizienz und Stabilität zu erreichen.

Dieses eigens für Gigahertz‑Frequenz‑akusto‑optische Phasenmodulation entwickelte Gerät kombiniert einen piezoelektrischen Wandler und eine photonische Wellenleitung, minimiert den Formfaktor und behält gleichzeitig eine wellenlängen‑skalige Struktur bei.

Optischer Phasenmodulator

Der verbesserte optische Phasenmodulator kann Laserlicht mit Mikrowellenfrequenzen steuern. Die Mikrowellen versetzen das Licht in einen angeregten Zustand, der Milliarden Mal pro Sekunde vibriert, was präzises Tuning sowie zusätzliche Stabilität und Effizienz ermöglicht. Konkret integriert der akusto‑optische Modulator eine photonische Wellenleitung, die auf einem piezoelektrischen Wandler montiert ist.

CMOS‑Fertigung ermöglicht Massenproduktion

Um die strengen Größenanforderungen zu erfüllen, entschieden die Ingenieure, das Gerät auf einem 200‑mm‑Wafer zu fertigen, der anschließend in 120 verschiedene Chips geschnitten wurde. Der Prozess nutzte eine piezo‑optomechanische Aluminium‑Nitrat‑SiNx‑Plattform, die es den Ingenieuren ermöglichte, Phasenmodulation zu verwenden, um Gigahertz‑Frequenz‑Seitenbänder bei einem 730‑nm‑Laser‑Eingang zu erzeugen.

Beeindruckender ist, dass sie auf standardisierte Chip‑Fertigungstechniken zurückgegriffen haben, was bedeutet, dass die Geräte in Zukunft massenproduziert werden können und damit den Zugang zu Quantencomputing erweitern.

Bei der Diskussion ihres Ansatzes betonten die Ingenieure, dass CMOS‑Fertigung der Inbegriff skalierbarer Technologie ist und dass die Nutzung dieser Methode zur Herstellung von Quantenchips entscheidend für die weitere Verbreitung ist.

Insbesondere erklärten die Ingenieure, wie diese Technologie viele Ihrer Lieblings‑High‑Tech‑Geräte ermöglicht hat, darunter Smartphones, Laptops und andere Geräte, auf die Sie täglich angewiesen sind. Sie erläuterten, wie sie diese Technologie verbreitet haben und wie sie künftig für quantenbasierte Geräte von Bedeutung sein wird.

Quelle – Nature Communications

Dual‑Modus‑Betrieb: Optisch und elektromechanisch

Bemerkenswerterweise kann der optische Phasenmodulator in zwei unterschiedlichen Modi arbeiten. Der erste ist der propagierende optische Modus, der photonische Wellenleitungen auf Schaltkreisen leitet und führt. Diese Strategie unterstützt die Verteilung von Verschränkung, das Routing und die Kohärenz, was für die meisten Operationen entscheidend ist.

Der zweite Modus ist der elektrisch anregbare „Breathing‑Mode“-Mechanik‑Resonanz, der auf Mikrowellen basiert, die auf Nanostrukturen angewendet werden und piezoelektrische Aktuation erzeugen. Diese Mikrowellen verändern die Oszillationsraten von Photonen und optischen Feldern. Dieser Modus unterstützt hohe optische Leistungen und ist ideal für fortgeschrittene Quantenberechnungen.

Leistungskennzahlen: Stabilität & Effizienz

Die Ingenieure führten mehrere Tests mit einem Funktionsfrequenz‑Spektrumanalysator durch, um die Ausgangsleistung des Chips zu prüfen. Dazu montierten sie den Chip auf einem Arm, an dem eine Laserquelle an einen Faser‑Interferometer gekoppelt war.

Das andere Ende des Geräts war mit einem akusto‑optischen Frequenzverschieber (AOFS) verbunden. Die Ingenieure leiteten Licht durch beide Enden des Geräts und kombinierten es anschließend mit einem 50/50‑Richtkoppler. Dadurch konnten die Photonen zum Spektrumanalysator geleitet werden, was die Genauigkeit erhöhte.

Der neue Chip erreichte eine optische Leistungsbewertung von 730 nm, was das Ziel von 500 mW übertrifft, das die Ingenieure gesetzt hatten. Zusätzlich konnte das Team die Geometrie des Geräts anpassen, um die optomechanische Wechselwirkung weiter zu verstärken. Der Test zeigte Modulationstiefen von bis zu 4,85 rad bei nur 80 mW Mikrowellenleistung bei 2,31 GHz.

Beeindruckenderweise verzeichnete das Gerät den bisher niedrigsten Frequenzverlust aller Chips. Die Ingenieure stellten fest, dass der neue Chip 15‑mal stabiler und 100‑mal effizienter hinsichtlich des Mikrowellen‑Energiebedarfs ist als die derzeitigen Quantenchips.

Wesentliche Vorteile der CMOS‑Fertigung

Massenproduzierte photonische Chips bringen zahlreiche Vorteile auf den Markt. Erstens können sie in riesigen Stückzahlen gefertigt werden, wodurch die Technologie von einem exklusiven Zugang zu einer populären Computing‑Option übergeht. Dieses Fertigungsverfahren ist kostengünstiger und ermöglicht es Ingenieuren, relativ kleine Quantencomputer zu bauen, die Tausende von Qubits integrieren.

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Dieses Fertigungsverfahren ermöglicht es zum ersten Mal, identische Versionen dieser hochkomplexen Geräte zu erzeugen. Diese Fähigkeit bedeutet, dass Ingenieure ihre zukünftigen Quantencomputer‑Designs massenhaft verbreiten können, indem sie bereits bestehende Methoden nutzen.

Kleine Größe

Einer der größten Vorteile dieses Layouts ist seine kleine Größe. Mit dem 100‑fach kleineren Umfang als ein menschliches Haar können diese Chips leistungsstarke Quantencomputer‑Designs unterstützen. Diese Einheiten werden Tausende von Qubits integrieren, ähnlich wie IBMs (IBM )Condor‑Chip, der 1.121 Qubits verarbeitet, jedoch aufgrund des größeren Laminats einen wesentlich größeren Formfaktor aufweist.

Hohe Leistung

Beeindruckenderweise könnten diese Chips eine Rechenleistung erreichen, die mit den heutigen fortschrittlichsten Maschinen vergleichbar ist. Sie können über 500 mW optische Leistung unterstützen, was derzeit das obere Ende für High‑End‑Quantencomputing darstellt. Zudem unterstützt das neue Chip‑Design mehr optische Leistung und Präzision bei gleichzeitig deutlich geringerem Stromverbrauch.

Effizienter

Die in diesem Ansatz verwendete Phasenmodulation benötigt im Vergleich zu Vorgängern weitaus weniger Mikrowellenleistung. Die Ingenieure stellten fest, dass ihr Gerät quantenbasierte Aktionen mit 80‑mal weniger Energie ausführen kann. Dadurch entsteht wesentlich weniger Wärme, was die Kopplung mit weiteren Chips ermöglicht, um leistungsstärkere Geräte zu schaffen.

Echte Anwendungsfälle: Sensorik & Vernetzung

Es gibt mehrere Anwendungsbereiche für diese Technologie. Der offensichtlichste Einsatz wird die Unterstützung zukünftiger Quantencomputer‑Designs sein. Diese Hochleistungschips sind klein genug, um dicht beieinander zu werden, und energieeffizient genug, um keine Überhitzungsprobleme in dieser Konfiguration zu verursachen.

Quanten‑Sensorik

Quanten‑Sensoren bieten weitaus höhere Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren. Sie erreichen dies durch Superposition, Verschränkung und Squeezing. Diese Effekte erlauben dem Gerät, Änderungen in Magnetfeldern, Gravitation, Zeit, Temperatur und mehr präzise zu messen. Diese Chips könnten dazu beitragen, solche Sensoren erschwinglicher zu machen.

Quanten‑Vernetzung

Ein weiterer Schlüsselbereich ist die Quanten‑Vernetzung. Diese Technologie nutzt Verschränkung, um Daten mit hohen Übertragungsraten zu kommunizieren. Konkret werden Quanten‑Bell‑Paare und Teleportation eingesetzt, um Zustände ohne Kopieren zu übertragen. Ziel ist es, eines Tages eine Infrastruktur für das Quanten‑Internet zu schaffen.

Weg zur Kommerzialisierung: Der 7‑10‑Jahres‑Fahrplan

Es wird etwa 7‑10 Jahre dauern, bis diese Technologie der Öffentlichkeit zugänglich ist. Entscheidend wird sein, dass diese Fertigungstechnik ein treibender Faktor für die Verbreitung von Quantentechnologien ist, doch zunächst muss sie perfektioniert werden. Sobald jedoch ein geeigneter Hersteller gefunden ist, wird die kostengünstige Strategie die weitere Integration und Adoption unterstützen.

Forschungsteam & Finanzierung

Die University of Colorado at Boulder leitete die Studie zu photonischen Chips mit Beteiligung von 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 über das Quantum Systems Accelerator‑Programm, das vom National Quantum Initiative Science Research Center ausgerichtet wird.

Zukünftige Forschungsziele

Das Team wird nun daran arbeiten, integrierte photonische Schaltkreise zu entwickeln, die frühere Leistungskennzahlen übertreffen. Die Gruppe strebt an, die Frequenz‑Erzeugungs‑ und Filterfähigkeiten ihrer Chips zu verbessern sowie ihre Pulsformungs‑Ansätze zu optimieren, um die Leistung weiter zu steigern.

Zudem werden die Ingenieure strategische Partner suchen, um ihre Fertigungsmethode in die Praxis zu überführen. Dieser Schritt bedeutet, führende CMOS‑Fertigungsstätten anzusprechen und einen Teil ihrer Produktionskapazität für dieses neue Chip‑Design zu sichern.

Top‑Aktien im Quantencomputing im Blick

Der Quanten‑Computing‑Sektor expandiert weiter, wobei die Konkurrenz monatlich zunimmt. Die heutigen führenden Quantencomputer‑Designer, Chip‑Hersteller und Programmierer treiben diese Technologie zu neuen Höchstleistungen und öffnen damit die Tür für Innovationen in der Rechenleistung. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin an vorderster Front dieser Revolution steht.

IonQ (IONQ): Ein Vorreiter bei gefangenen Ionen‑Systemen

IonQ (IONQ ) wurde 2015 gegründet, um die Quanten‑Technologie voranzutreiben. Das Unternehmen wurde von zwei Quanten‑Computing‑Experten, Christopher Monroe und Dr. Jungsang Kim, gegründet. Monroe ist insbesondere für seine wegweisenden Beiträge zur Quantenforschung bekannt und gilt als Pionier der Branche.

IonQ hat die Technologie mitentwickelt, darunter den ersten funktionsfähigen 5‑Ytterbium‑Ionen‑Chip, der den Deutsch‑Jozsa‑Algorithmus ausführt. Außerdem startete das Unternehmen den ersten kommerziellen Trapped‑Ion‑QCaaS. Diese Entwicklungen halfen dem Unternehmen, erfolgreich 636 Mio. $ zu sichern.

Derzeit bietet das Unternehmen mehrere hochrangige Quantenprodukte an, darunter das Aria‑32‑Qubit‑Rack‑Mount‑System. Zusätzlich hat das Unternehmen strategische Partnerschaften mit AWS/Azure/Google Cloud und anderen führenden Cloud‑Anbietern geschlossen.

Wer einen renommierten Quanten‑Computing‑Anbieter mit jahrelanger Erfahrung sucht, sollte IonQ genauer prüfen. Das Unternehmen hat derzeit eine Marktkapitalisierung von 16,3 Mrd. $. Bemerkenswert ist, dass die Aktie kürzlich volatil war, mit einem Höchststand von 84,64 $ und einem Tiefststand von 17,88 $.

Neueste IonQ (IONQ) Aktiennachrichten und Performance

Fazit

Die Bedeutung einer erfolgreichen Massenproduktion von photonischen Chips kann nicht genug betont werden. Diese Technologie steht im Kern der Expansion des Quanten‑Computings und muss perfektioniert werden, bevor sie öffentlich zugänglich wird. Diese jüngste Entwicklung wird die Kosten für die Herstellung von Quantengeräten voraussichtlich senken, was wiederum eine stabile Versorgung mit Chips für den Markt in der Zukunft ermöglichen sollte.

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Referenzen

^{1. Freedman, J. M., Storey, M. J., Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, N. T., & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}