Quantenchips in greifbarer Nähe mit skalierbarem Siliziumdesign

Diraq-Forscher haben eine kommerziell nutzbare Hochtreue‑Quantenbit‑Fertigungsmethode im großen Maßstab vorgestellt, die den Computersektor revolutionieren könnte. Dieser Machbarkeitsnachweis nutzt traditionelle Fertigungsprozesse, die seit Jahrzehnten eingesetzt werden, um zuverlässige, großflächige, fehlertolerante Quantencomputer‑Chips zu liefern, die maximale Treue bewahren. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Die Nachfrage nach erschwinglichen Quantencomputern steigt

Es gibt eine wachsende Nachfrage nach Quantencomputing‑Dienstleistungen und Fachkräften. Laut aktuellen Berichten haben Unternehmen im letzten Jahr bereits 2,35 Mrd. $ für Quanten‑Dienstleistungen ausgegeben. Zusätzlich hat der Sektor einen signifikanten Anstieg bei Einstellungen erlebt, wobei LinkedIn‑Statistiken einen Anstieg von 180 % bei Unternehmen zeigen, die zwischen 2020 und 2024 Quanten‑Fachkräfte suchen.

Es gibt viele Gründe für den Anstieg der Nachfrage nach Quantencomputing. Einer davon sind militärische Anwendungen. Weltweit haben Militärs erhebliche Mittel investiert, in der Hoffnung, einen Wettbewerbsvorteil gegenüber ihren Konkurrenten zu erlangen.

Quantum‑Benchmarking‑Initiative

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) der Vereinigten Staaten veranstaltet derzeit die Quantum‑Benchmarking‑Initiative. Ziel dieses Projekts ist es zu bestimmen, ob Quanten‑Computer‑Chips skaliert und haltbarer gemacht werden können als ihr aktuelles Design, das einen fragilen Quantenzustand aufweist.

Um diese Aufgabe zu erfüllen, wurden 18 Unternehmen ausgewählt, die gegeneinander antreten, um im Quanten‑Computing‑Sektor eine Nutzungs‑Skala zu erreichen. Nutzungs‑Skala ist ein Begriff, der die Fähigkeit von Quanten‑Computern beschreibt, Probleme zu lösen, die weit über die heutigen Supercomputer hinausgehen.

Diese Aufgabe erfordert Echtzeit‑Fehlerkorrektur, um die hohen Treue‑Anforderungen zu erfüllen. Treue bezieht sich auf die Genauigkeit des Chips. Ingenieure müssen einen Quanten‑Chip entwickeln, der massive Informationsmengen speichern und darauf zugreifen kann, während er mehr als 100 Qubits zuverlässig über den fragilen Quantenzustand hinweg aufrechterhält.

Siliziumbasierte Quantenchips

Es gibt viele verschiedene Arten von Quanten‑Chip‑Designs, die zur Erstellung von Quanten‑Hardware verwendet wurden. Die Einführung siliziumbasierter Quantenchips bietet jedoch erhebliche Vorteile.

Erstens können sie die Milliarden‑Dollar‑Infrastruktur und Fertigungsstrategien nutzen, die bereits für traditionelle Chips vorhanden sind. Zusätzlich können die Chips Millionen von Qubits auf einem einzigen Chip unterbringen. Diese Qubits sind präzise positioniert, um effizientes Quanten‑Computing zu ermöglichen.

Die nächsten Schritte

In Anbetracht des Potenzials, das die Silizium‑Spin‑Qubit‑Technologie bietet, haben Ingenieure Wege gesucht, diese Chip‑Designs zu verbessern. Ihre Forschung umfasste umfangreiche Labortests. Die Labortests haben sich als genau erwiesen. Bis heute gab es jedoch keinen Versuch zu prüfen, ob das gleiche Genauigkeitsniveau mit traditionellen industriellen Fertigungsmethoden erreicht werden kann.

Quelle – Nature

Um diese Aufgabe zu bewältigen, müssen die Ingenieure mehrere Materialherausforderungen überwinden. Ihr Design muss Interferenzen durch Ladungsrauschen und statische Unordnung berücksichtigen. Diese Probleme entstehen durch Defekte und Fallen an Schnittstellen und Oxiden, die in Silizium‑Chip‑Designs vorkommen.

Studie zur großskaligen Quantenchip‑Fertigung

Die jüngste Industriekompatible Silizium‑Spin‑Qubit‑Einheitszellen mit über 99 % Treue¹ Studie, veröffentlicht am 24. Sept. in Nature, liefert wertvolle Einblicke in entscheidende Kennzahlen, die für die Erreichung skalierbarer Quantenchips verantwortlich sind.

Sie verbindet die Punkte zwischen Echtzeit‑Überwachungsfähigkeiten und der Fähigkeit, Quantenfehler zu korrigieren. Insbesondere werden Korrelationen zwischen elektrischem Rauschen und Hall‑Bar‑Transport aufgezeigt. Im Rahmen der Arbeit entwickelte Diraq eine neue Chip‑Design‑Modellierungssoftware.

Sie arbeiteten mit dem Chip‑Fertigungsunternehmen imec zusammen, das für die Endfertigung des Geräts verantwortlich war. Von dort aus erstellte das Team mehrere Designs unter Verwendung von Silizium‑Wafern und traditioneller CMOS‑Geometrie.

Standard‑Werkzeuge

Die Ingenieure entschieden sich für mehrere Zwei‑Qubit‑Geräte, die planar‑Metal‑Oxide‑Semiconductor‑Strukturen mit Polysilizium‑Gattern nutzten. Die Geräte wurden mit Standard‑Halbleiter‑Werkzeugen in einer 300‑mm‑Fabrikumgebung hergestellt. Konkret beinhaltete die Architektur einen Doppel‑Quanten‑Dot und einen Single‑Electron‑Transistor (SET), der Echtzeit‑Spin‑Auslesung ermöglichte.

Bemerkenswert ist, dass die vier Elektronen im Doppel‑Dot, die unter den Plunger‑Gate‑Elektroden des Geräts gebildet werden, eine Steuerung der Tunnel‑Kopplung zwischen den Dots ermöglichen und eine Rausch‑Analyse erlauben. Von dort aus wurde die gesamte Einheit in einen 3He/4He‑Verdünnungs‑Kryostat gestellt, der auf eine Basistemperatur von 10 mK im isolierten Modus eingestellt war.

Test des neuen Quantenchip‑Designs

Um ihren Bau zu testen, setzte das Team das Gerät mehreren experimentellen Bedingungen aus, die im UNSW‑Forschungslabor erstellt wurden. Der erste Schritt bestand darin, die primäre Qubit‑Funktionalität des Chips zu bewerten. Dieser Test umfasste das Testen sowohl von Ein‑ als auch von Zwei‑Qubit‑Gattern und das Registrieren von Fehlerraten.

Bemerkenswert ist, dass das Team ein hochmodernes Gate‑Set‑Tomographie‑Tool (GST) einsetzte, um wertvolle Einblicke in den Quantenzustand in Echtzeit zu erhalten. Dieser Ansatz ermöglichte es, Störfaktoren wie Crosstalk sowie die Aufschlüsselung zwischen stochastischen und kohärenten Fehlern zu bestimmen.

Nach der Dokumentation von vier Designs führten sie Kryo‑Probing‑Messungen an weiteren 16 Optionen durch. Jeder Chip hatte eine leicht unterschiedliche Form und Architektur, was dem Team ermöglichte, Einblicke zu gewinnen, wie ihr Design eine einheitliche elektrostatische Kontrolle über die Gate‑Elektroden des Geräts bietet.

Ergebnisse der Studie zur großskaligen Quantenchip‑Fertigung

Die Testergebnisse zeigten, dass das Konzept ein Erfolg war. Das Team demonstrierte eine hohe Leistung der Qubits auf dem 300‑mm‑Wafer unter Verwendung traditioneller Halbleiter‑Foundries. Ihre Daten deuten darauf hin, dass der Chip exakt wie vorhergesagt funktionierte. In sowohl Ein‑ als auch Zwei‑Qubit‑Steuerungs‑Umgebungen übertraf er 99 % Genauigkeit über alle vier Geräte hinweg.

Die Ergebnisse dieser Tests zeigen, dass Diraqs Silizium‑Quanten‑Chip erfolgreich massenproduziert werden kann, indem traditionelle CMOS‑Strategien verwendet werden. Diese Entdeckung eröffnet die Tür für großskalige Produktionen von Quanten‑Computing‑Geräten der nächsten Generation.

Vorteile der Studie zur großskaligen Quantenchip‑Fertigung

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Es gibt viele Vorteile, die diese Studie für die Branche mit sich bringt. Erstens liefert sie wertvolles wissenschaftliches Wissen, um die technischen Beschränkungen großskaliger Quanten‑Fertigungs‑Strategien zu überwinden. Außerdem demonstriert sie einen Weg, Quanten‑Chips künftig in die Massenfertigung zu integrieren.

Genauigkeit

Eine der größten Entdeckungen ist, dass der Foundry‑Prozess die Genauigkeit oder Treue der Quanten‑Chips nicht reduziert hat. Im Gegenteil zeigte er, dass siliziumbasierte Quanten‑Chips eine weltklasse‑Genauigkeit beibehalten können, wenn sie mit modernsten Spin‑Qubit‑Strategien und Echtzeit‑Fehlerkorrektur erstellt werden.

Massenfertigung

Das Hauptziel der Studie war zu zeigen, dass siliziumbasierte Quantencomputer die ausgereifte Halbleiter‑Industrie nutzen können. Die Ingenieure haben dieses Ziel erreicht, was die Tür für eine großskalige Adoption dieser Chips öffnet.

Echte Anwendungsfälle & Zeitplan

Es gibt mehrere Anwendungsbereiche für diese Studie. Erstens wird sie einen gangbaren Weg für die großskalige Produktion zuverlässiger Silizium‑Quanten‑Chips bieten. Diese Geräte werden in vielen High‑Tech‑Branchen eine zentrale Rolle spielen, darunter KI, Luft‑ und Raumfahrt, Medizin, Klimamodellierung und vieles mehr.

Zeitplan der Studie zur großskaligen Quantenchip‑Fertigung

Es wird 7–10 Jahre dauern, bis Sie in Ihrem örtlichen Computergeschäft quantenbasierte Geräte zu erschwinglichen Preisen sehen können. Diese Arbeit ebnet jedoch den Weg für preisgünstige quantenbasierte Computer im nächsten Jahrzehnt.

Forscher der Studie zur großskaligen Quantenchip‑Fertigung

Um die Studie zur großskaligen Quantenchip‑Fertigung zum Erfolg zu führen, arbeitete Diraq, ein Nano‑Tech‑Startup der UNSW Sydney, mit dem europäischen Nanoelektronik‑Institut Interuniversity Microelectronics Centre (imec) zusammen. Bemerkenswerterweise hatte Diraq zuvor ein Silizium‑Chip‑Design vorgestellt, das Qubits mit CMOS‑Prozessen in ihrem Labor fertigte.

Dieser Schritt inspirierte das Team, die Technologie weiter voranzutreiben und großskalige Fertigungsmethoden zu ermöglichen. Dieser grundlegende Durchbruch öffnet die Tür für die Massenproduktion siliziumbasierter Quanten‑Chips, die in allem von Transport bis zu medizinischen Geräten eingesetzt werden können.

Zukünftige Forschungsrichtungen

Die Ingenieure planen, weitere Untersuchungen zu großen Konfigurationen und höheren Elektronen‑Besetzungen durchzuführen. Ihr Ziel ist es, ein besseres Verständnis für die physikalische Herkunft der beobachteten Fehlermekanismen zu erlangen und Modelle zu erstellen, die diese Vorgänge genau vorhersagen und verhindern können. Bei Erfolg würde diese Arbeit einen klaren Pfad zu noch höherer Leistung im Sektor bieten.

Investitionen in Quantencomputing

Mehrere Quanten‑Computer‑Entwickler agieren weltweit. Diese Unternehmen treiben die Grenzen des Rechnens voran, indem sie kontinuierlich in Forschung und Entwicklung investieren, um die Fertigungskosten zu senken. Hier ist ein Unternehmen, das weiterhin ein Pioniergeist im Markt ist und als Branchenführer anerkannt wird.

Rigetti Computing

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

Bemerkenswerterweise war Rigetti Computing stets ein Pionier im Markt. Beispielsweise stellte das Unternehmen 2016 den ersten Quantenprozessor vor. Dieser 3‑Qubit‑Chip ebnete den Weg für zukünftige Innovationen, darunter die Veröffentlichung der Forest‑Quanten‑Programmierumgebung, die die Entwicklung von Algorithmen vorantrieb.

Im Jahr 2017 startete Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) und ermöglichte Unternehmen den Zugriff auf leistungsstarke Quanten‑Chips. Dieser Schritt wurde schnell gefolgt von der Eröffnung einer neuen Foundry in Fremont, CA, im selben Jahr. Diese Maßnahmen stärkten die Marktposition und Fertigungskapazitäten des Unternehmens.

Im Jahr 2024 demonstrierte Rigetti Computing seine 32‑Qubit‑Prozessoren. Dieser Schritt wurde durch eine strategische Partnerschaft mit AWS ergänzt. All diese Maßnahmen stärkten die Marktposition von Rigetti Computing und das Vertrauen der Verbraucher. Daher wird das Unternehmen heute als hervorragende Möglichkeit angesehen, in den Quanten‑Computing‑Sektor zu investieren.

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Studie zur großskaligen Quantenchip‑Fertigung | Fazit

Es gibt zahlreiche Gründe, warum die Herstellung von Silizium‑Quanten‑Chips, die die ausgereifte Halbleiter‑Industrie nutzen können, für alle ein Gewinn ist. Erstens wird sie die Kosten senken und weitere Forschung vorantreiben. Außerdem wird sie künftig mehr technologische Innovationen inspirieren.

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Referenzen

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). Industriekompatible Silizium‑Spin‑Qubit‑Einheitszellen mit über 99 % Treue. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}