Im Rahmen von QSolid koordiniert das Fraunhofer IZM-ASSID zusammen mit dem Fraunhofer IPMS ein bundesweites Konsortium inklusive GlobalFoundries, Jülich und RWTH Aachen, um einen deutschen Quantencomputer basierend auf supraleitenden Qubits mit reduzierten Fehlerraten zu realisieren. Ein nur 20×15 Millimeter großer Interposer bietet mehr als 10 000 thermisch entkoppelte Leiterverbindungen. Skalierungstests bestätigen erforderliche thermomechanische Stabilität. Ein zehn Qubit-Demonstrator mit Softwarestack und Cloud-Zugang liefert erste Benchmarks. Die BMBF-Förderung beträgt 76,3 Millionen Euro.
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Supraleitende Qubits mit Überlagerungszuständen ermöglichen komplexe Berechnungen weit schneller
Verbindet Qubits mit ihrer Steuerung (Foto: Fraunhofer IZM-ASSID. Steffen Bickel)
Im deutschen QSolid-Verbund kommen supraleitende Qubits zum Einsatz, die dank quantenmechanischer Überlagerung für rechenintensive Anwendungen wesentlich höhere Geschwindigkeiten bieten als herkömmliche Rechner. Fraunhofer IZM-ASSID verantwortet dabei innovative Verpackungstechnologien. Gemeinsam mit Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries wurde ein interner Interposer entwickelt, der eine stabile elektrische sowie thermische Kopplung zwischen den Qubits und der Steuerlogik realisiert. Dieses integrative Konzept optimiert die Signalführung und reduziert systembedingte Fehlerraten signifikant. Bietet modulare Erweiterungsoptionen und maximale Zuverlässigkeit.
Quantencomputer profitieren von Qubits, benötigen jedoch präzise komplexe Fehlermanagementsysteme
Quantenbits nutzen ihre Wellenfunktion, um koherent zwischen Null- und Eins-Zuständen zu oszillieren und ermöglichen parallele Rechenpfade. Die Skalierung auf Dutzende oder Hunderte Qubits verlangt jedoch komplexe Vernetzungen und signalgenaue Steuerleitungen. Jede zusätzliche Kopplung steigert die Gefahr von Fehlanregungen und Dekohärenz. Deshalb sind adaptive Algorithmen für Fehlerkorrektur, präzise Hardwarekalibrierung sowie temperaturstabile Verpackungen unverzichtbar. Nur so lassen sich hohe Erfolgsraten und praktische Nutzbarkeit realisieren. Simulationen und Echtzeitanalyse unterstützen optimale Systemkonfiguration und Effizienz.
Nächste Generation supraleitender Quantenprozessoren erreicht durch QSolid neue Maßstäbe
Die QSolid-Strategie sieht vor, supraleitende Schaltkreise der nächsten Generation mit minimalen Fehlerraten zu realisieren. Durch präzise Fertigungsprozesse und den Einsatz hochreiner Substrate werden Qubits hergestellt, die exzellente Kohärenz- und Gate-Zeiten bieten. Als internationaler Spitzenreiter stellt das Vorhaben eine formidable Alternative zu Google-, IBM- und Intel-Prototypen dar und legt mit durchdachtem Material- und Architektur-Engineering neue Richtlinien in der Entwicklung skalierbarer Quantenprozessoren. Eine modulare Systemstruktur, effiziente Fehlerkorrektur und Erweiterungsoptionen komplettieren Konzept.
Benchmarks nach Industriestandard legen erste Grundlage für deutschen Quantencomputerbau
Mit dem Start des QSolid-Halbzeit-Demonstrators am Forschungszentrum Jülich im September 2023 tritt die deutsche Quantenforschung in eine neue Phase. Das System integriert zehn supraleitende Qubits, einen vollumfänglichen Softwarestack und einen Cloud-Zugang, um remote Experimente nach Industriestandards durchzuführen. Umfangreiche Datenerhebungen und Benchmark-Analysen liefern fundierte Grundlagen für das Design künftiger Quantenprozessoren. Bis Ende 2026 sollen auf dieser Basis mehrere Prozessortypen entstehen, die den Weg zum ersten in Deutschland gefertigten Quantencomputer dauerhaft ebnen.
Kompakter Interposer minimiert Störeinflüsse und gewährleistet dauerhafte stabile Signalübertragung
Auf nur zwanzig mal fünfzehn Millimetern integriert der vom Fraunhofer IZM-ASSID entwickelte Interposer mehr als zehntausend präzise gefertigte Leiterbahnen, die Signale verlustarm übertragen. Seine thermomechanische Auslegung gewährleistet Formstabilität in unterschiedlichen Temperaturbereichen. Zusätzlich trennt eine wirkungsvolle thermische Entkopplung den Quantenchip konsequent von der Steuerungselektronik, wodurch Interferenzen reduziert werden. Diese Kombination aus kompakter Bauweise und hoher Stabilität führt zu gleichbleibenden Signalgeschwindigkeiten, was die Performance komplexer Quantenrechenoperationen entscheidend verbessert. Sie legt Grundstein für Skalierung.
Erste Skalierungstests des Interposers analysieren entscheidendes Systemverhalten und Performance
In Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen testet das Team um Steffen Bickel die Tauglichkeit eines neuen Verdrahtungsprozesses für Quanteninterposer unter realen Betriebsbedingungen. Besondere Bedeutung haben dabei koaxiale Leitungsaufbauten für Hochfrequenzsignale. In ersten Tests wird der Interposer um den Faktor zwei bis drei vergrößert, um Auswirkungen auf Signalintegrität, thermisches Management und Rauschverhalten zu evaluieren und die Grundlagen für robuste, skalierbare Demonstratoren zu schaffen und Produktionsprozesse effizient weiterzuentwickeln.
BMBF-finanziertes QSolid stärkt deutsche Forschungskompetenz und industrielle Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands
Mit einer Förderung von 76,3 Millionen Euro durch das Bundesforschungsministerium werden im Projekt QSolid insgesamt 25 deutsche Einrichtungen vernetzt, um einen souveränen Quantencomputer zu entwickeln. Ziel ist es, die nationale Forschungs- und Industrielandschaft zu stärken, international wettbewerbsfähig zu bleiben und langfristig technologische Unabhängigkeit zu gewährleisten. Die daraus resultierende Plattform eröffnet perspektivisch hochinnovative Anwendungen in der chemischen Synthese, der Materialanalyse sowie in der biomedizinischen Diagnostik und stärkt gleichzeitig die Innovationskraft bundesweit.
Hochreine Materialien und optimiertes Design minimieren Fehlerraten in Quantenchips
Durch die synergetische Integration supraleitender Qubits, innovativer Package-Prozesse und eines hochskalierbaren Interposers entsteht eine stabile Plattform zur Skalierung von Quantenprozessoren. Thermische Barrieren isolieren hochsensible Quantenlagen von Umgebungseinflüssen, während die dichte Verdrahtung zuverlässige Datenpfade gewährleistet. Diese Technologiekombination reduziert systemische Fehler signifikant und steigert die Performance. Mit nationaler Forschungskooperation und finanzieller Förderung zielt das Projekt auf industrielle Anwendungen und die Stärkung deutscher Quantenkompetenz ab. Es legt Grundsteine für sicherheitskritische Systeme und Forschungsexzellenz.
