Quantenchips mit skalierbarem Siliziumdesign nahe an der Realität

Diraq-Forscher haben ein kommerziell nutzbares Verfahren zur Herstellung hochpräziser Quantenbits vorgestellt, das die Computerbranche revolutionieren könnte. Dieser Machbarkeitsnachweis nutzt traditionelle Fertigungsverfahren, die seit Jahrzehnten eingesetzt werden, um zuverlässige, großformatige, fehlertolerante Quantencomputerchips mit maximaler Genauigkeit zu entwickeln. Hier erfahren Sie alles Wissenswerte.

Die Nachfrage nach erschwinglichen Quantencomputern steigt

Es besteht eine wachsende Nachfrage nach Quantencomputer-Dienstleistungen und -Spezialisten. Laut jüngsten BerichteUnternehmen haben im vergangenen Jahr bereits 2.35 Milliarden US-Dollar für Quantendienste ausgegeben. Darüber hinaus verzeichnete der Sektor einen deutlichen Anstieg der Neueinstellungen. LinkedIn-Statistiken zeigen, dass die Zahl der Unternehmen, die zwischen 2020 und 2024 Quantenexperten suchen, um 180 % gestiegen ist.

Es gibt viele Gründe für die steigende Nachfrage nach Quantencomputern. Ein Grund dafür sind militärische Anwendungen. Weltweit haben Militärs erhebliche Mittel investiert, um sich einen Wettbewerbsvorteil gegenüber ihren Konkurrenten zu verschaffen.

Quantum Benchmarking Initiative

Die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ist derzeit Gastgeber der Quantum Benchmarking Initiative. Ziel dieses Projekts ist es, herauszufinden, ob Quantencomputerchips skaliert und langlebiger gemacht werden können als ihr aktuelles Design, das einen fragilen Quantenzustand aufweist.

Um diese Aufgabe zu bewältigen, wurden 18 Unternehmen ausgewählt, die gegeneinander antreten, um im Bereich des Quantencomputings die sogenannte Utility Scale zu erreichen. Der Begriff Utility Scale bezeichnet die Fähigkeit des Quantencomputings, Probleme zu lösen, die die Leistungsfähigkeit heutiger Supercomputer bei weitem übersteigen.

Diese Aufgabe erfordert eine Echtzeit-Fehlerkorrektur, um die hohen Anforderungen an die Genauigkeit zu erfüllen. Die Genauigkeit bezieht sich auf die Genauigkeit des Chips. Ingenieure müssen einen Quantenchip entwickeln, der riesige Informationsmengen speichern und abrufen kann und gleichzeitig über 100 Qubits zuverlässig über den fragilen Quantenzustand hinweg aufrechterhält.

Siliziumbasierte Quantenchips

Es gibt viele verschiedene Arten von Quantenchip-Designs, die zur Herstellung von Quantenhardware verwendet wurden. Die Einführung von Quantenchips auf Siliziumbasis bietet jedoch erhebliche Vorteile.

Zum einen können sie die Milliarden Dollar teure Infrastruktur und die Fertigungsstrategien nutzen, die bereits für herkömmliche Chips vorhanden sind. Darüber hinaus können die Chips Millionen von Qubits auf einem einzigen Chip unterbringen. Diese Qubits sind präzise positioniert, um effizientes Quantencomputing zu ermöglichen.

Die nächsten Schritte

Ingenieure haben das Potenzial der Silizium-Spin-Qubit-Technologie erkannt und nach Möglichkeiten gesucht, diese Chipdesigns zu verbessern. Ihre Forschung umfasste umfangreiche Labortests. Die Laborergebnisse erwiesen sich als richtig. Bisher wurde jedoch nicht untersucht, ob mit herkömmlichen industriellen Fertigungsmethoden die gleiche Genauigkeit erreicht werden kann.

Quelle - Nature

Um diese Aufgabe zu bewältigen, müssen Ingenieure mehrere Materialherausforderungen bewältigen. Ihr Design muss Störungen durch Ladungsrauschen und statische Störungen berücksichtigen. Diese Probleme entstehen durch Defekte und Einschlüsse an Schnittstellen und Oxiden in Siliziumchip-Designs.

Studie zur Herstellung von Quantenchips im großen Maßstab

Die Blockade des Industriekompatible Silizium-Spin-Qubit-Einheitszellen mit einer Wiedergabetreue von über 99 %¹ Die am 24. September in Nature veröffentlichte Studie bietet wertvolle Einblicke in entscheidende Kennzahlen, die für die Entwicklung skalierbarer Quantenchips verantwortlich sind.

Es verbindet Echtzeit-Überwachungsmöglichkeiten mit der Fähigkeit, Quantenfehler zu korrigieren. Insbesondere werden Zusammenhänge zwischen elektrischem Rauschen und Hall-Bar-Transport aufgezeigt. Im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Diraq eine neue Chip-Design-Modellierungssoftware.

Sie arbeiteten mit dem Chiphersteller Imec zusammen, der für die endgültige Herstellung des Geräts verantwortlich war. Anschließend erstellte das Team mehrere Designs unter Verwendung von Silizium-Wafern und traditioneller CMOS-Geometrie.

Standardwerkzeuge

Die Ingenieure entschieden sich für mehrere Zwei-Qubit-Bauelemente auf Basis planarer Metalloxid-Halbleiter mit Polysilizium-Gates. Die Bauelemente wurden mit Standard-Halbleiterwerkzeugen in einer 300-mm-Fertigungsanlage gefertigt. Die verwendete Architektur umfasste einen Doppelquantenpunkt und einen Einzelelektronentransistor (SET), der eine Spin-Auslesung in Echtzeit ermöglichte.

Insbesondere die vier Elektronen im Doppelpunkt, der unter den Plunger-Gate-Elektroden des Geräts gebildet wurde, ermöglichen die Steuerung der Tunnelkopplung zwischen den Punkten und bieten eine Rauschanalyse. Von dort aus wurde die gesamte Einheit in einen 3He/4He-Verdünnungskühlschrank gestellt, der im isolierten Modus auf eine Basistemperatur von 10 mK eingestellt war.

Testen des neuen Quantenchip-Designs

Um ihre Konstruktion zu testen, unterzog das Team das Gerät mehreren experimentellen Bedingungen, die im Forschungslabor der UNSW geschaffen wurden. Der erste Schritt bestand darin, die Funktionalität des primären Qubits des Chips zu evaluieren. Dieser Test umfasste die Prüfung von Ein- und Zwei-Qubit-Gattern sowie die Erfassung von Fehlerraten.

Das Team nutzte insbesondere ein hochmodernes Gate-Set-Tomographie-Tool (GST), um wertvolle Einblicke in den Quantenzustand in Echtzeit zu gewinnen. Mit diesem Ansatz konnten Störfaktoren wie Übersprechen und die Aufschlüsselung zwischen stochastischen und kohärenten Fehlern ermittelt werden.

Nach der Dokumentation von vier Designs führten sie Kryosondenmessungen an weiteren 16 Optionen durch. Jeder Chip hatte eine leicht unterschiedliche Form und Architektur, sodass das Team Einblicke gewinnen konnte, wie ihr Design eine gleichmäßige elektrostatische Kontrolle über die Gate-Elektroden des Geräts gewährleistet.

Testergebnisse der Studie zur Herstellung von Quantenchips im großen Maßstab

Die Testergebnisse zeigten, dass das Konzept erfolgreich war. Das Team demonstrierte die hohe Leistung der Qubits auf dem 300-mm-Wafer mithilfe herkömmlicher Halbleitergießereien. Ihre Daten deuten darauf hin, dass der Chip genau wie erwartet funktionierte. Sowohl in Einzel- als auch in Zwei-Qubit-Kontrolleinrichtungen übertraf er bei allen vier Geräten die Genauigkeit von 99 %.

Die Ergebnisse dieser Tests deuten darauf hin, dass der Silizium-Quantenchip von Diraq mit herkömmlichen CMOS-Verfahren erfolgreich in Massenproduktion hergestellt werden kann. Diese Entdeckung öffnet die Tür für die Massenproduktion von Quantencomputern der nächsten Generation.

Vorteile der groß angelegten Quantenchip-Fertigungsstudie

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Diese Studie bringt der Branche viele Vorteile. Sie lieferte wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse zur Überwindung der technischen Grenzen groß angelegter Fertigungsstrategien für Quantencomputer. Darüber hinaus zeigte sie einen Weg auf, Quantenchips künftig in die Massenproduktion zu integrieren.

Genauigkeit

Eine der wichtigsten Entdeckungen ist, dass der Herstellungsprozess weder die Genauigkeit noch die Wiedergabetreue der Quantenchips beeinträchtigt hat. Vielmehr zeigte sich, dass siliziumbasierte Quantenchips eine Weltklasse-Genauigkeit erreichen können, wenn sie mit modernsten Spin-Qubit-Strategien und Echtzeit-Fehlerkorrektur hergestellt werden.

Massenfertigung

Das Hauptziel der Studie bestand darin, zu zeigen, dass siliziumbasierte Quantencomputer die ausgereifte Halbleiterindustrie nutzen können. Den Ingenieuren ist dieses Ziel gelungen, was die Tür für eine breite Einführung dieser Chips öffnet.

Reale Anwendungen und Zeitleiste

Diese Studie bietet mehrere Anwendungsmöglichkeiten. Sie wird zum einen dazu beitragen, einen praktikablen Weg für die Massenproduktion zuverlässiger Silizium-Quantenchips zu ebnen. Diese Bauelemente werden in vielen Hightech-Branchen eine entscheidende Rolle spielen, darunter in der künstlichen Intelligenz, der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, der Klimamodellierung und vielen weiteren.

Zeitplan für die Studie zur Herstellung von Quantenchips im großen Maßstab

Es wird noch 7 bis 10 Jahre dauern, bis man im Computerladen quantenbetriebene Geräte zu einem erschwinglichen Preis finden kann. Diese Arbeit ebnet jedoch den Weg für preisgünstige quantenbetriebene Computer im nächsten Jahrzehnt.

Forscher untersuchen groß angelegte Quantenchip-Fertigung

Um die Studie zur groß angelegten Herstellung von Quantenchips erfolgreich durchzuführen, arbeitete Diraq, ein Nanotechnologie-Startup der UNSW Sydney, mit dem europäischen Nanoelektronik-Institut Interuniversity Microelectronics Centre (imec) zusammen. Diraq hatte zuvor bereits ein Siliziumchip-Design vorgestellt, mit dem Qubits mithilfe von CMOS-Prozessen in seinem Labor hergestellt werden konnten.

Dieser Schritt inspirierte das Team, die Technologie weiterzuentwickeln und den Einsatz großtechnischer Fertigungsmethoden zu ermöglichen. Diese grundlegende Errungenschaft öffnet die Tür für die Massenproduktion von Quantenchips auf Siliziumbasis für den Einsatz in allen Bereichen, vom Transportwesen bis hin zu medizinischen Geräten.

Zukünftige Forschungsrichtungen

Die Ingenieure planen weitere Untersuchungen großer Konfigurationen und höherer Elektronenbesetzungen. Ziel ist es, die physikalischen Ursachen der beobachteten Fehlermechanismen besser zu verstehen und Modelle zu entwickeln, die diese Fehler präzise vorhersagen und verhindern können. Im Erfolgsfall würde diese Arbeit einen klaren Weg zu noch höheren Leistungen in diesem Sektor ebnen.

In Quantencomputing investieren

Weltweit sind mehrere Entwickler von Quantencomputern aktiv. Diese Unternehmen erweitern die Grenzen der Computertechnik kontinuierlich, indem sie kontinuierlich in Forschung und Entwicklung investieren, um die Herstellungskosten zu senken. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin Pioniergeist auf dem Markt zeigt und als Branchenführer anerkannt ist.

Rigetti Computing

Rigetti Computing trat 2013 in den Markt ein. Das Unternehmen mit Sitz in Kalifornien wurde von dem Physiker Chad Rigetti gegründet. Der ursprüngliche Fokus von Rigetti Computing lag auf der Entwicklung und Wartung supraleitender Qubits. Dieser Ansatz umfasste die Entwicklung vollständig supraleitender Quantensysteme und anderer wichtiger Hardware.

Rigetti Computing war schon immer ein Pionier auf dem Markt. So stellte das Unternehmen beispielsweise 2016 den ersten Quantenprozessor vor. Dieser 3-Qubit-Chip öffnete die Tür für zukünftige Innovationen, darunter die Veröffentlichung der Quantenprogrammierumgebung Forest, die die Algorithmenentwicklung vorangetrieben hat.

2017 wurden die Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) eingeführt, die Unternehmenszugriff auf leistungsstarke Quantenchips ermöglichen. Kurz darauf folgte im selben Jahr die Eröffnung einer neuen Gießerei in Fremont, Kalifornien. Diese Maßnahmen trugen dazu bei, die Positionierung und die Fertigungskapazitäten des Unternehmens zu stärken.

Im Jahr 2024 stellte Rigetti Computing seine 32-Qubit-Prozessoren vor. Darauf folgte die strategische Partnerschaft mit AWS. All diese Manöver stärkten die Marktposition von Rigetti Computing und das Verbrauchervertrauen. Daher gilt dies heute als hervorragende Möglichkeit, sich im Quantencomputersektor zu engagieren.

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Studie zur Herstellung von Quantenchips im großen Maßstab | Fazit

Es gibt viele Gründe, warum die Entwicklung von Silizium-Quantenchips, die die ausgereifte Halbleiterindustrie nutzen, für alle ein Gewinn ist. Zum einen werden dadurch Kosten gesenkt und die Forschung vorangetrieben. Zum anderen wird es in Zukunft zu weiteren technologischen Innovationen anregen.

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Referenzen

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, WH, Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, JD, Vahapoglu, E., Bartee, SK, Hudson, FE, Chan, KW, Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, AS (2025). Industriekompatible Silizium-Spin-Qubit-Elementarzellen mit einer Genauigkeit von über 99 %. Natur, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}