von Olga Putsykina, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Quantencomputer sind sehr energieeffiziente und extrem leistungsfähige Supercomputer. Damit diese Maschinen ihr volles Potenzial in neuen Anwendungen wie künstlicher Intelligenz oder maschinellem Lernen ausschöpfen können, arbeiten Forscher hart daran, die zugrunde liegende Elektronik für die Verarbeitung ihrer Berechnungen zu perfektionieren. Ein Team des Fraunhofer IZM arbeitet an supraleitenden Verbindungen, die nur zehn Mikrometer dünn sind und die Industrie damit der Zukunft von kommerziell nutzbaren Quantencomputern einen großen Schritt näher bringen.
Mit der extremen Rechenleistung, die sie versprechen, haben Quantencomputer das Potenzial, zum Motor technologischer Innovationen in allen Bereichen der modernen Industrie zu werden. Anders als die gewöhnlichen Computer von heute arbeiten sie nicht mit Bits, sondern mit Qubits: Diese Informationseinheiten sind nicht mehr auf die binären Zustände 1 oder 0 beschränkt.
Wenn Quantenüberlagerung oder Verschränkung hinzugefügt werden, bedeuten Qubits einen großen Sprung nach vorne in Bezug auf schiere Geschwindigkeit und Leistung und die Komplexität der Berechnungen, die sie bewältigen können. Eine einfache Regel gilt jedoch immer noch: Mehr Qubits bedeuten mehr Geschwindigkeit und mehr Rechenleistung.
Die Einsatzmöglichkeiten von Quantencomputern scheinen grenzenlos: Überall dort, wo riesige Datensätze wie Simulationen oder Wahrscheinlichkeitsrechnungen verarbeitet werden müssen, können sie selbst komplizierte Probleme blitzschnell lösen. Von optimierter Logistik oder Verkehrsmanagement durch hochpräzise Prognosen oder von der Herstellung neuartiger medizinischer Behandlungen mit präzise modellierten Molekülen bis hin zu nahezu unknackbaren Verschlüsselungen für die Finanzindustrie scheint alles möglich.
Der Übergang in das neue technologische Zeitalter scheint nur noch ein Quantensprung entfernt zu sein, aber so einfach ist es nicht. Die Quantencomputer der ersten beiden Generationen haben Forschern viel über die grundlegende Funktionsweise der neuen Technologie beigebracht. Die Flaggschiffe dieser neuen Flotte von Supercomputern, wie der Quantencomputer des Forschungszentrums Jülich, arbeiten derzeit mit respektablen 5.000 Qubits, also 25.000 potentiellen Zuständen für jedes Quantenteilchen.
Doch diese Maschinen stoßen an gewisse Grenzen: Das komplexe Zusammenspiel vernetzter Qubits ist äußerst störanfällig, was zu Störungen und Fehlern in den Berechnungen führen kann. Sie brauchen Fehlerkorrekturmechanismen, um die Ergebnisse aufzupolieren, die wiederum weit mehr Qubits benötigen als die ursprüngliche Berechnung: Forscher erwarten, dass zukünftige Quantencomputer jeweils mindestens 100.000 oder sogar eine Million Qubits haben werden.
Um diese Anzahl von Qubits in einem einzigen System zu erreichen, müssen neue integrierte Schaltkreise und Verbindungen entwickelt werden, die mit extremer Miniaturisierung arbeiten und Temperaturen von bis zu -273 °C standhalten. Unter diesen unvorstellbaren Gefrierbedingungen vibriert das Gitter in Festkörpern so weit verlangsamt, dass die Qubits verschränkt bleiben und lesbar bleiben.
Doch das System läuft Gefahr, sich aus eigener Kraft aufzuwärmen, weshalb verlustfreie Supraleiter bei möglichst niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Diese supraleitenden Verbindungen für solche Systeme und die dafür nötige kryogene Verpackung zu entwerfen und zu bauen, ist die Mission von Dr. Hermann Oppermann vom Fraunhofer IZM in Berlin.
Damit sein Team die notwendigen Lötkontakte oder Bumps herstellen konnte, die extrem niedrigen Temperaturen standhalten, musste es eine neue Technologie entwickeln. Sie wählten dafür Indium, ein Material, das bei unter 3,4 Kelvin supraleitend wird und selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt robust bleibt.
Um elektronische Strukturen aus Indium herzustellen, wird das Material mit speziellen Elektrolyten galvanisiert. Dieser Prozess erfordert, dass das Indium von der Nickelbasis entfernt wird, die üblicherweise für Strukturen dieser Dimensionen verwendet wird. Nickel würde ein zu starkes Magnetfeld erzeugen, das die Arbeit der Qubits stören könnte, während die neue metallisierte Basis als Keimschicht für die Galvanisierung fungiert.
Das vom Team verwendete Verfahren bedeutete einen neuen Weltrekord in der Miniaturisierung für kryogene Verbindungen, wobei der Rasterabstand der Steckverbinder auf weniger als 10 Mikrometer reduziert wurde.
Das Team konstruierte außerdem extrem verlustarme, supraleitende Steckverbinder aus Niob und Niobnitrid. Für die Niobbeschichtung wurde ein innovatives Verfahren entwickelt, das dann durch Ionenstrahlen geätzt wurde, um kompakte Steckverbinder in einer außergewöhnlichen Legierung herzustellen, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten und hohe Stromdichten handhaben können. Nach Fertigstellung der Indium-Bumps und der supraleitenden Schaltungsträger wurden die Bauteile in einem speziellen Kryotest Temperaturen unter 3 Kelvin ausgesetzt – mit Erfolg.
Bereitgestellt vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM