Quantencomputer

Durchbruch dank Ionenfallen-Technik

28. November 2022, 11:41 Uhr | Heinz Arnold
Infineon
Ionenfallen-Chip von Infineon
© Infineon

Mithilfe welcher Technologie werden die ersten Quantencomputer arbeiten, die echte Probleme schneller lösen als heutige Supercomputer? Ein Team von Infineon setzt auf die Ionenfallen-Technik und arbeitet mit Hochdruck an der Realisierung.

»Quantencomputing auf Basis von Ionenfallen stellen eine der interessantesten Technologien dar, um Quantencomputer in absehbarer Zukunft realisieren zu können, die die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Supercomputer tatsächlich übertreffen können«, erklärt Richard Kuncic, Leiter der Business Line DCDC von Infineon. Sein Kollege Stephan Schächer, Director of New Application, Innovation and Quantum Computing der Industrie-Division von Infineon, zählt die Gründe auf, die für die Ionenfallen sprechen:
➔ Die Kohärenzzeit liegt relativ hoch. Zur Kühlung der Chips reichen 10 K, was gegenüber der supraleitenden Technik – hier müssen die Chips auf einige Tausendstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden – als wohlig warm gelten kann.
➔ Die Gate-Fidelity, also die Präzision von 1- und 2-Qubit-Rechenschritten, ist höher als bei anderen Techniken. Die Qubits sind alle miteinander verschränkbar, weil sie sich bewegen lassen, im Gegensatz zu Qubits in einem Festkörper, etwa supraleitende Qubits oder Fehlstellen in einem Diamanten.

Die Technik der Ionenfallen ist also weniger aufwendig als beispielsweise die der supraleitenden Qubits, die heute allerdings nach allgemeiner Einschätzung die Nase vorne haben. »Besonders wegen dem letzten der genannten Punkte – die Qubits in Ionenfallen sind alle miteinander verschränkbar – traue ich der Ionenfallen-Technik zu, die ersten Quantencomputer zu bieten, mit denen sich erste Vorteile erzielen lassen, denn es lassen sich relativ einfach Ionenfallen realisieren, die auf zehn bis 15 Qubits kommen werden. Das reicht manchen Chemikern schon aus, um in der Molekül-Simulation erste Fortschritte zu erzielen, schneller, als das rein mit herkömmlichen Supercomputern möglich wäre«, ist Schächer überzeugt.

Potenzielle Fertigung in Villach

Dass die Ionenfallen auf eine Temperatur von 10 K gekühlt werden müssen, ist ebenfalls ein sehr großer Vorteil, denn erstens ist der Aufwand für die Kühlung und deren Aufrechterhaltung viel weniger hoch, zweitens ist die Temperatur immer noch tief genug, dass Fremdgase sofort ausfallen, bevor sie Schaden anrichten könnten. Die Ionenfalle ist also inhärent sauber. Wenn Vakuumpumpen weiter große Fortschritte erzielen, wird es in Zukunft möglicherweise bei Raumtemperatur funktionieren.

Vor allem sind Kuncic und Schächer überzeugt, dass Infineon die Ionenfallen-Chips sehr gut am Standort Villach fertigen kann, denn dazu lassen sich die bekannten Prozesstechniken aus der Fertigung von Leistungshalbleitern und der MEMS heranziehen. »In Villach verfügen wir über eine weltweit einzigartige Kombination existierender Prozesse. Das ist wichtig, denn beides benötigen wir für die Fertigung der Ionenfalle«, freut sich Kuncic. »Das ist weltweit kaum irgendwo zu finden, wir sind mit unserer Prozessvielfalt in Villach und im Verbund mit Dresden und Regensburg in einer ausgesprochen guten Ausgangsposition.«
Dank dieser Kombination sei es jetzt weltweit erstmals möglich, die Ionenfallen-Chips mit hoher Präzision und einer sehr hohen Wiederholbarkeit im industriellen Maßstab herzustellen. »Bisher musste das in Handarbeit geschehen: Ein Doktorand bastelte erst mal ein Jahr an seiner Ionenfalle, und wenn sie funktionierte, war nicht gesagt, dass der nächste Doktorand bei der Weiterentwicklung nicht wieder ein Jahr brauchen würde, berichtet Schächer.

Anleihen aus der Leistungshalbleiterfertigung

Doch zunächst ein kurzer Blick darauf, wie die Ionenfallen aufgebaut sind und wie sie funktionieren. Die Oberfläche des eigentlichen Chips wird dazu mikrostrukturiert, ähnlich wie das für die Fertigung von MEMS geschieht. Die Metallisierungsebenen mit ihren teilweise hohen Schichtdicken entleiht man sich aus der Leistungshalbleiterfertigung.

Ziel der Strukturierung ist es, DC- und HF-Elektroden auf dem Chip aufzubauen. In den HF-Feldern werden beispielsweise Kalzium-Ionen in »Potenzialmulden« eingefangen; mithilfe der DC-Felder lassen sie sich verschieben oder »shutteln«, wie der Fachbegriff dafür lautet. Ziel ist es, sie auf einen Abstand von wenigen Mikrometern zusammenzuführen. Durch die gegenseitige Potenzial-Wechselwirkung geraten sie dann in den verschränkten Zustand.

Wie kann man messen, ob sie tatsächlich verschränkt sind? Die sogenannte Quantum-State-Tomography erlaubt es, ihren Zustand voll zu charakterisieren, ein einfacheres Verfahren ist das Parity-Measurement. Allerdings wird man das in der Praxis nicht machen, denn die Messung zerstört notwendigerweise den verschränkten Zustand und man muss von vorne mit der Rechnung beginnen. Hier muss man sich auf die 1-und 2-Qubit-Gatter verlassen, auf denen dann die Quantenalgorithmen laufen. Erst am Ende wird der Zustand der Qubits ausgelesen.

Das hört sich jetzt alles sehr geheimnisvoll an, das Erstaunliche ist aber, dass sich manche Vorgänge live mitverfolgen lassen – ein Lichtmikroskop genügt dazu: Jeder, der durchschaut, kann sehen, wie sich die Ionen bewegen. »Man kann die Ionen tanzen sehen, das ist jedes Mal wieder ein erstaunliches Erlebnis!«, so Kuncic.

Infineon ist überzeugt, die Chips für Quantencomputer am Standort Villach fertigen zu könne
Infineon ist überzeugt, die Chips für Quanten-computer am Standort Villach fertigen zu können.
© Infineon

Bei der derzeitig ersten Generation der Ionenfallen handelt es sich um 2D-Typen, auf denen sich zwei mal acht Qubits darstellen und shutteln lassen. Infineon entwickelt aber bereits die nächste Generation, die 3D-Ionenfalle, die eine zehnmal höhere Einschlusstiefe erreicht, um in Zukunft noch mehr Qubits realisieren zu können.

Der Ionenfallen-Chip wird dann in Regensburg auf einen Carrier gebondet, der wiederum in das »Socket« genannte äußere Metallgehäuse gesetzt wird, an dessen Seiten und Ecken die Laserstrahlen zugeführt werden und der dann in den Kryostaten, das Kühlelement, eingesetzt werden kann. Oben ist das Gehäuse mit einer Metallplatte verschlossen, über die ein feines, kaum sichtbares Goldnetz gespannt ist, das Streuladungen von außen abhält.


  1. Durchbruch dank Ionenfallen-Technik
  2. Realisierung durch Kooperationen

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