Der Traum vom tragbaren Quantenrechner

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Quantenforscherin Silke Auchter mit dem Wafer, auf dem sich etwa 1.000 Chips für die Quantenforschung befinden.
Quantenforscherin Silke Auchter mit dem Wafer, auf dem sich etwa 1.000 Chips für die Quantenforschung befinden. (Bild: Infineon Austria)

Infineon Austria forscht gemeinsam mit der Universität Innsbruck, der ETH Zürich und Interactive Fully Electrical Vehicles an der Kommerzialisierung von Quantencomputern. Mit Neuerungen in Design und in der Fertigung wollen sie leistbare Bauelemente für Quantencomputer entwickeln.

Ionenfallen haben sich als sehr erfolgreiche Technologie für die Kontrolle und Manipulation von Quantenteilchen erwiesen. Sie bilden heute das Herzstück der ersten funktionsfähigen Quantencomputer und gelten neben supraleitenden Quantenbits als vielversprechendste Technologie für den Bau von kommerziellen Quantencomputern.

In der von der EU im Rahmen des Horizon-2020-Projekts PIEDMONS geförderten Zusammenarbeit zwischen Infineon Technologies Austria und den Forschungspartnern Universität Innsbruck, ETH Zürich und Interactive Fully Electrical Vehicles aus Italien loten Ingenieure und Forscher seit dem Vorjahr gemeinsam aus, wie Ionenfallen mittels Halbleiter-Fertigungstechnologien gebaut werden können und welche Quantenchip-Architekturen besonders von der erhöhten Präzision und Skalierbarkeit moderner Halbleiterfertigung profitieren. Darüber hinaus wollen die Forschungspartner erkunden, ob dank neuartiger Fallengeometrie Ionenfallen auch bei Raumtemperatur betrieben werden können.

Die Forscher zielen auf die Herstellung robusterer Quantensysteme und die Miniaturisierung des Gesamtsystems mittels on-chip Integration der nötigen Elektronik. On-chip bedeutet, dass die neu entwickelte Elektronik direkt neben dem Quantensystem eingebaut wird – im Labor nehmen sie derzeit noch viel Platz neben dem Versuchsaufbau ein. Die Vision lautet: Quantencomputer sollen erstmals portabel werden.

Quantencomputer sollen bei Raumtemperatur betrieben werden

Silke Auchter (26) forscht in ihrer Doktorarbeit an Ionenfallen. Diese Ionenfallen sollen mittels Halbleiter-Fertigungstechnologien weiterentwickelt werden. So können die Fallen sehr einheitlich und präzise produziert und leichter mit miniaturisierter Elektronik und Optik verbunden werden. Auch lassen sich auf diese Weise komplexere und umfangreichere Fallenkonzepte umsetzen, die robust gegenüber äußeren Störeinflüssen sind.

Ionen bilden die Grundlage für Quantenbits, die quantenmechanischen Pendants zu den Bits in herkömmlichen Rechnern. Forscher fangen Ionen im Labor in einem elektromagnetischen Feld, dessen genaue Form durch den Aufbau der Ionenfalle bestimmt wird. Mikrofabrizierte Fallen hatten die Ionen bisher nicht optimal im Griff.

Wenn es gelingt, diese Quantenchips so zu konstruieren, dass die Ionen darin stabiler gefangen bleiben, hilft das den Quantenforschern in Innsbruck und Zürich bei ihrem Bestreben nach größeren Quantenregistern und komplexeren Quantenalgorithmen.

Außerdem sind robuste Quantenzustände eine Voraussetzung für den Einsatz außerhalb von Laborbedingungen, also bei Raumtemperatur und letztendlich sogar mobil. Mit den ersten Quantenchip-Prototypen, entwickelt in der MEMS-Abteilung in Villach, werden derzeit bereits Experimente von Silke Auchter durchgeführt. Sie ist Doktorandin bei Infineon und wird an ihrer Stammuniversität, der Universität Innsbruck am Institut für Experimentalphysik von Rainer Blatt, einem international renommierten Quantenphysiker, betreut. Ziel ihrer Forschungsarbeit ist die Herstellung einer mikrofabrizierten Ionenfalle, in der die Ionen stabil bei Raumtemperatur gefangen sind.

Derzeit müssen die Prototypen von Quantencomputern noch sehr stark gekühlt werden, was ein großes Hindernis für die industrielle Produktion von Quantencomputern darstellt. In ihren Experimenten versucht Silke Auchter daher Ionen so optimal zu fangen, dass Quantenchips auch bei Raumtemperatur funktionieren und noch komplexere Chiparchitekturen gebaut werden können.

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