QLSI - Quantum Large-Scale Integration with Silicon

Quantencomputer versprechen die Lösung wichtiger Rechenprobleme, die von den leistungsstärksten Supercomputern nicht bewältigt werden können. Es besteht die Hoffnung, dass Quantencomputer zur Lösung wichtiger gesellschaftlicher Herausforderungen wie Energie, Klima, Gesundheit und Sicherheit beitragen werden.

In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei der Realisierung von Prototypen von Quantencomputern erzielt. Die am weitesten fortgeschrittenen basieren auf supraleitenden Qubits und gefangenen Ionen. Trotz der rasanten Fortschritte stellt sich die Frage, ob diese Ansätze in der Lage sein werden, die großen Herausforderungen der Skalierung auf viele Millionen Qubits zu bewältigen.

Halbleiter-Spin-Qubits haben sich als glaubwürdige Alternative herauskristallisiert und sind möglicherweise am besten für eine endgültige Skalierung geeignet. Die Spinkohärenz hält bis zu zehn Millisekunden an, und die Qubits sind relativ temperaturbeständig, wie mehrere Demonstrationen bei 1 K und darüber zeigen. Der vielleicht größte Reiz der Halbleiter-Spin-Qubits besteht darin, dass die für die Herstellung der Quantenpunkt-Arrays, die die Spins beherbergen, erforderlichen Reinraumprozesse denen der heutigen Transistoren sehr ähnlich sind.

Die Aufgabe von QLSI2 besteht darin, eine übergeordnete Vision und einen Fahrplan für die Entwicklung von Halbleiter-Quantenprozessoren in Europa zu erstellen. Gemeinsam mit den am Konsortium beteiligten Akteuren werden wir eine Roadmap für den Entwurf, die Entwicklung, die Validierung und den Einsatz von Quantenprozessoren (Quantum Processing Units, QPUs) auf der Grundlage von Halbleitertechnologie und mit klaren industriellen Perspektiven für den Großmaßstab formulieren und umsetzen.

Am Fraunhofer IPMS werden wir die Expertise unseres Centers Nanoelectronic Technologies einbringen. Der Schwerpunkt liegt auf der Nutzung unseres hochmodernen 300 mm CMOS-Reinraums, um Technologieverbesserungen für skalierbares Quantencomputing bereitzustellen. Die Hauptbereiche sind Festkörper-Qubit-Technologien wie supraleitende Qubits und spinbasierte Halbleiter-Qubits. Unsere besondere Stärke ist die enge Zusammenarbeit mit führenden Halbleiterherstellern wie Infineon, Bosch und GlobalFoundries, die in unmittelbarer Nähe des Fraunhofer IPMS angesiedelt sind und mit denen wir enge gemeinsame Projekte und Partnerschaften eingegangen sind.

Darüber hinaus wird das Fraunhofer IPMS eine Schlüsselrolle beim Aufbau einer deutschen F&E-Pilotproduktionslinie für Festkörper-Qubits zusammen mit führenden Partnern aus Industrie, Forschungseinrichtungen und Hochschulen spielen.

Ziel des QLSI-Projekts ist die Entwicklung einer skalierbaren Technologie für Silizium-Qubits für die Quanteninformatik. Silizium-Qubits können schnell angesteuert und ausgelesen werden und sind aufgrund ihrer geringen Größe, ihres hohen Q-Faktors und ihrer Kompatibilität mit industriellen Fertigungsprozessen ideal für das Quantencomputing geeignet. Silizium-Qubits wurden bereits mehrfach erfolgreich demonstriert; in dem Projekt geht es nun darum, eine skalierbare Technologie für die spätere industrielle Umsetzung zu entwickeln und einen 16-Qubit-Chip zu demonstrieren.

Mit dem Center Nanelectronic Technologies bringt das Fraunhofer IPMS einen 4000 m² großen Reinraum und seine Expertise in der modernen, industrietauglichen CMOS-Halbleiterfertigung auf 300-mm-Waferstandard ein. Dies betrifft z.B. Fertigungsprozesse für die Nanostrukturierung, aber auch Materialentwicklung und elektrische Ansteuerung aus dem CMOS-Bereich. In enger Zusammenarbeit mit Infineon Dresden, der RWTH Aachen und dem FZ Jülich werden in dem Projekt die ersten Qubit-Demonstratoren auf Waferebene realisiert.

Um diese Ergebnisse zu erzielen, bringt unser Konsortium ein einzigartiges multidisziplinäres Team europäischer Gruppen aus dem akademischen Bereich, den Forschungseinrichtungen und der Industrie zusammen, die an siliziumbasierten Quantenbauelementen arbeiten. Diese Gruppen sind bestrebt, eine aktive Rolle bei der Entwicklung des industriellen Ökosystems für siliziumbasierte Quantentechnologien zu spielen. QLSI ist in drei Toolboxen und eine Demonstrations- und Skalierbarkeitsaktivität unterteilt.

Die Halbleiter-Toolbox vereint Kompetenzen aus der Halbleiterindustrie, wie z. B. Fertigung, Hochdurchsatztests und CAD (computergestütztes Design), mit dem Fachwissen der Physikgemeinschaft;

1. Die Quanten-Toolbox bündelt das Fachwissen aus der Physik über Spin- und Quanteneigenschaften von Nanostrukturen auf Si-Basis und Quanten-Engineering aus theoretischer und praktischer Sicht;
2. Die Kontroll-Toolbox versammelt Teams mit Instrumentierungskenntnissen, die von der Erzeugung von HF-Signalen über die Automatisierung bis hin zur Einrichtung von Hochdurchsatz-Charakterisierungen bei niedrigen Temperaturen reichen.