SHARE: Quanten-Hardware für die Fertigungstechnologie funktionstüchtig machen

Quantencomputer können kniffelige Problemstellungen schneller lösen als jeder herkömmliche Hochleistungsrechner. Vorteile versprechen sie daher künftig bei aufwändigen Optimierungen in der Logistik oder der Produktion. Doch damit das funktioniert, muss die Hardware eines Quantencomputers erst beherrschbar gemacht werden. Ein Forschungsfeld, dem sich das Fraunhofer IIS widmet – etwa im Projekt SHARE.

Während herkömmliche Computer mit den Werten null und eins rechnen, überlagern Quantencomputer mehrere Lösungen und sind damit wesentlich effizienter als konventionelle Hochleistungsrechner. Doch ihre Stärke ist zugleich auch ihre Schwäche, denn Quantencomputer liefern bisher noch keine exakten Ergebnisse, sondern Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Scalable Hardware and Systems Engineering SHARE ist ein Projekt, in dem Quantencomputer dafür eingerichtet werden, zuverlässig zu arbeiten. 

Scalable Hardware and Systems Engineering SHARE

Genau daran arbeitet ein Konsortium von Forschungseinrichtungen unter der Federführung des Fraunhofer IIS: Im Fokus steht die Elektronikentwicklung für die Ansteuerung und das Auslesen der Qubits. So sollen zum einen elektronische Komponenten und Systeme für künftige Quantencomputer entwickelt werden, zum anderen die Halbleitertechnologie und -integration. »Während bisherige kommerzielle Quantencomputer mit rund zwei Dutzend Qubits arbeiten, wollen wir im Projekt SHARE Konzepte für die Skalierung jenseits der 100 Qubits entwickeln.«, sagt Claudia Schlagenhaft, Projektleiterin am Fraunhofer IIS. 

Um eine so umfassende Technologie wie den Quantencomputer weiter in Richtung industrielle Nutzung zu treiben, sind zahlreiche Expertisen nötig. Das spiegelt sich auch im Projekt SHARE wider: Das Konsortium umfasst sechs Partner und insgesamt 80 Projektmitarbeiter. Neben dem Fraunhofer IIS arbeiten das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, die Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologie EMFT, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und die Technische Universität München daran, eine Fertigungstechnologie für supraleitende Quantensysteme zu entwickeln. Das Fraunhofer IIS hat die Projektleitung für den CT 1-Part: Electronic Components and Systems. Partner bei CT 1 sind das Fraunhofer EMFT, das Fraunhofer IISB, das Department Elektrotechnik-Elektronik-Informatik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und das Fraunhofer IIS. 

Eine der Herausforderungen ist es, Elektronik für die Temperaturen im Bereich von 4 K oder mK zu entwickeln, da für einen Quantencomputer mit Superconducting-Technologie die Qubits bei Temperaturen von wenigen mK betrieben werden.

Weiterhin bring das Fraunhofer IIS seine Expertise in der Hardwareentwicklung und -herstellung ein, genauer gesagt konzentrieren sich die Forschenden auf die elektromagnetischen Simulationen und Optimierungen, die integrierte Elektronikentwicklung, sowie die Ansteuerelektronik. „Im Bereich der Quantencomputer mit Neutralatom-Technologie, liegen die Herausforderungen darin, die Atome besser von der Außenwelt abzuschirmen – die dafür notwendige Expertise setzt das Fraunhofer IIS schon Jahrzehnte im Antennendesign ein.«, sagt Dr. Thorsten Edelhäußer, Co-Speaker des Konsortiums vom Fraunhofer IIS. Zudem stehen Skalierungseffekte auf der Agenda. »Zwar gibt es bereits Geräte auf dem Markt, die die Signale für ein Qubit erzeugen. Doch braucht man aktuell im Labor einen relativ großen Gerätepark um all diese Signale zu generieren. Wir entwickeln eine kompakte Elektronik, die auf 400 Kanälen eigene Signalformen erzeugen kann, um damit jedes einzelne Atom mit Lasersignalen ansteuern zu können.«, ergänzt Edelhäußer. »Das Upscaling in diesem Projekt ist ein notwendiger Schritt für die industrielle Entwicklung von Quantencomputern für die Lösung von realen Problemen.«

Eingebettet in die Initiative »Munich Quantum Valley«

Das übergeordnete Projektmanagement für SHARE liegt beim »Munich Quantum Valley MQV«: Eine von Bayern mit rund 300 Millionen Euro geförderte Initiative zur Erforschung von Quantencomputing und -technologien. Sie soll ein zukunftsfähiges Umfeld für Wissenschaft und Wirtschaft schaffen und führt daher alle Konsortien im Bereich des Quantencomputings zusammen. »MQV ist unser Sprachrohr zu Bayern«, bestätigt Schlagenhaft.