Quantencomputing hat sich zu einem hochstrategischen Bereich entwickelt, dessen wirtschaftliche und gesellschaftliche Relevanz stark zunimmt. Die Anwendungsbereiche reichen von Durchbrüchen in der Arzneimittelforschung und Materialwissenschaft bis hin zu hochsicheren Kommunikationssystemen und Navigationssystemen der nächsten Generation. Allerdings besteht nach wie vor eine Lücke zwischen der aktuellen Quantenforschung und herstellbaren Quantenprozessoren, die bedeutende Quantenanwendungen ermöglichen. Die Skalierung der Anzahl stabiler Qubits (auf bis zu eine Milliarde) ist der Schlüssel zum Bau zuverlässiger und fehlertoleranter Quantencomputer.

Angesichts der technologischen Komplexität, einschließlich kryogenem Betrieb, ultrapräziser Steuerelektronik und hochspezialisierter Fertigungsprozesse, sowie angesichts der strategischen Bedeutung von Quantenchips hat der EU-Chips-Act sechs sich ergänzende Quanten-Pilotlinien eingerichtet, die sich jeweils auf eine bestimmte Hardwareplattform konzentrieren und gemeinsam die Quantentechnologien in den Bereichen Quantencomputing, Kommunikation und Sensorik vorantreiben. Innerhalb dieses Portfolios ist SPINS die Pilotlinie, die sich halbleiterbasierten Spin-Qubits widmet, wobei der Schwerpunkt auf der Bereitstellung von Quantenchips für Anwendungen im Bereich des Quantencomputings liegt.

Imec koordiniert die Aktivitäten dieser neuen Pilotlinie und leitet das europäische Konsortium aus 25 Partnern, darunter Forschungseinrichtungen wie Fraunhofer, VTT und CEA-Leti über die Industrie (sowohl Großunternehmen wie Infineon und Siltronic als auch KMU und Start-ups) bis hin zu akademischen Gruppen (wie der TU Delft und der Universität Jyväskylä), die ergänzendes Wissen und Fähigkeiten einbringen, mit dem Ziel, den strategischen Rahmen des EU-Chip-Gesetzes in konkrete Maßnahmen umzusetzen.

Zu den ersten Maßnahmen des SPINS-Konsortiums gehören Prozess- und Designoptimierungen, um eine solide Grundlage für skalierbare, stabile und leistungsstarke Spin-Qubits zu schaffen, und zwar auf drei verschiedenen Technologieplattformen: Si/SiGe, Ge/GeSi und SOI. SPINS zielt darauf ab, über Multi-Project Wafers (MPW) und standardisierte Quantum Process Design Kits (PDKs) einen Weg vom Labor zur Fertigung für diese Technologie zu etablieren, wodurch die Eintrittsbarrieren für Start-ups und KMU in der Halbleiter-Quantentechnologie gesenkt und die Grundlagen dafür gelegt werden, dass europäische Unternehmen frühzeitig Quanten-Know-how aufbauen können.

Kristiaan De Greve, Koordinator von SPINS: „Die Skalierung von Qubits erfordert eine extrem kontrollierbare Umgebung und solide Fertigungsprozesse, da Qubits extrem empfindlich gegenüber Umgebungsrauschen sind. Diese Herausforderungen erfordern sowohl die Genauigkeit und Kontrolle, die nur in einer hochmodernen Halbleiter-Reinrauminfrastruktur vorhanden ist, als auch die Forschungs- und Innovationsmentalität, um eine solche Umgebung an die Anforderungen dieser empfindlichen Qubits anzupassen. Bei imec beschäftigen wir uns seit über 40 Jahren kreativ mit komplexen Problemen in der fortschrittlichen Halbleiterfertigung. Durch die Bündelung des Fachwissens unserer europäischen Konsortialpartner in dieser Quanten-Pilotlinie werden wir die Entwicklung von Halbleiter-Qubits mit hohem TRL beschleunigen und damit groß angelegte Quantensysteme aus europäischer Fertigung ermöglichen.“

Ergänzende Bereiche der europäischen Quantenbemühungen umfassen neben der halbleiterbasierten Pilotlinie Pilotlinien zur Photonik für das Quantenprojekt „P4Q“ (koordiniert von der Universität Twente, NL) – zu der auch imec beiträgt –, Ionenfallen-Qubits „CHAMP-ION“ (koordiniert von SAL, AT), supraleitende Qubits „SUPREME“ (koordiniert von VTT, FI), Diamant-Quantenchips „DIREQT“ (koordiniert von CNR, IT) und neutrale Atome „Q PLANET“ (koordiniert von Pasqal, FR).

Aus Deutschland

ARQUE Systems GmbH, Forschungszentrum Jülich GmbH, Fraunhofer IHP, Infineon, Siltronic und die Universität Regensburg.

Der deutsche Beitrag wird sich auf industrielle Halbleiter-Qubit-Technologie auf Basis von Si/SiGe-Heterostrukturen konzentrieren. Er baut auf den Ergebnissen der Projekte QUASAR (finanziert vom Bundesministerium für Forschung, Raumfahrt und Technologie) sowie der EU-Leitinitiativen QLSI und QLSI2 auf, um die Fertigungsprozesse für Qubit-Bauelemente zu einer reproduzierbaren, gut dokumentierten und zugänglichen Technologie zu machen. Die Fertigung erfolgt am IHP und bei Siltronic (Heterostruktursubstrate), bei Infineon Dresden (Gesamtttechnologie und Prozessintegration) sowie am Fraunhofer IPMS (Elektronenstrahllithografie und qubit-angepasste Verpackung). Ergänzt werden diese Beiträge durch Charakterisierungsarbeiten am Forschungszentrum Jülich GmbH, am Fraunhofer IAF, an der Universität Regensburg und bei der ARQUE Systems GmbH.

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