Fraunhofer IZM-ASSID und IPMS führen zusammen mit GlobalFoundries, Forschungszentrum Jülich und RWTH Aachen das QSolid-Projekt, das supraleitende Qubits mit optimierten Fehlerraten in einem deutschen Quantensystem implementiert. Der kompakte Interposer verbindet Steuer- und Quantenchip elektronisch sowie thermisch getrennt und bietet auf 20×15 Millimetern mehr als 10 000 extrem dünne Leiterbahnen. Der zehn Qubit-Halbzeit-Demonstrator integriert einen Softwarestack mit Cloud-Zugang für umfangreiche validierbare repräsentative Benchmarktests. Die BMBF stellt hierfür 76,3 Millionen Euro bereit.
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Fraunhofer entwickelte internes Interposer-Package für stabile Qubit-Steuerung und Kopplung
Verbindet Qubits mit ihrer Steuerung (Foto: Fraunhofer IZM-ASSID. Steffen Bickel)
Im Mittelpunkt der deutschen QSolid-Allianz stehen supraleitende Qubits, deren Überlagerungszustände komplexe Algorithmusoperationen deutlich schneller als in klassischen Systemen ausführen. Fraunhofer IZM-ASSID verantwortet die Entwicklung fortschrittlicher Packaging-Lösungen und hat gemeinsam mit Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries einen spezialisierten Interposer realisiert. Dieses Bauelement verbindet die Qubits und die zugehörige Steuer-Elektronik sowohl elektrisch als auch thermisch stabil. So werden Signalverluste minimiert und eine konsistente Quantenprozessführung ermöglicht. Die Lösung unterstützt modulare Erweiterung und präzise Fehlerunterdrückung.
Vielfache Qubit-Kopplung erfordert präzise Steuerung sowie effektive fortschrittliche Fehlerkorrekturmaßnahmen
Als Grundbausteine quantenmechanischen Rechnens ermöglichen Qubits die gleichzeitige Existenz mehrerer Basiszustände. Dadurch lassen sich bestimmte Algorithmen deutlich effizienter als mit klassischen Bits umsetzen. Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, zahlreiche Qubits sorgfältig zu koppeln, zu kontrollieren und gegen Umgebungsrauschen abzuschirmen. Mit zunehmender Qubit-Anzahl steigen Fehlerraten, Dekohärenz und Komplexität. Daher sind fortlaufende Kalibrierung, präzise Signalführung und robuste Fehlerkorrekturverfahren unerlässlich, um die Systemgenauigkeit zu gewährleisten. Angemessene Hardwareoptimierung und abgestimmte Software sichern dauerhaft Zuverlässigkeit.
Optimiertes Design und hochreines Material erhöhen Qubit-Qualität in QSolid-Systemen
QSolid zielt darauf ab, supraleitende Schaltkreise der nächsten Generation mit minimalen Fehlerraten bereitzustellen. Ein verfeinertes Chip-Layout sowie die Verarbeitung hochreiner Materialien erlauben den Bau von Qubits mit überlegener Kohärenz und Zuverlässigkeit. Dieser weltweit führende Ansatz konkurriert mit Projekten von Google, IBM und Intel, indem er neue Maßstäbe in der Quantenprozessorentwicklung setzt und effiziente Fehlerkorrektur sowie hohe und skalierbare Quantenrechenleistung ermöglicht. Das modulare Systemdesign und präzise Fertigungsprozesse tragen zur Robustheit bei.
Integrierter Softwarestack und Cloudzugriff ermöglichen industrielle Quantenbenchmarks ab sofort
Der QSolid-Halbzeit-Demonstrator begann im September 2023 am Forschungszentrum Jülich seinen Betrieb und integriert zehn supraleitende Qubits mit einem vollständigen Software-Framework sowie direktem Cloud-Zugriff. Durch die sichere Remote-Anbindung lassen sich umfangreiche Testreihen und industriegerechte Benchmarks durchführen, um Leistungsparameter exakt zu erfassen. Die gewonnenen Messdaten bilden die Basis für die Entwicklung mehrerer Quantenprozessortypen bis Ende 2026 und legen das Fundament für einen industriellen Quantenrechner made in Germany mit optimierter Fehlerrate und Skalierbarkeit.
Extrem dünne Leiterbahnen ermöglichen Hochdichte Verdrahtung bei thermischer Stabilität
Mit einer kompakten Fläche von zwanzig mal fünfzehn Millimetern realisiert der vom Fraunhofer IZM-ASSID entwickelte Interposer über zehntausend extrem feine Leiterbahnen auf minimalem Raum. Die hohe thermomechanische Festigkeit garantiert dauerhafte Struktursicherheit bei Temperaturschwankungen. Eine gezielte thermische Trennung isoliert den Quantenchip von der Steuerungselektronik und minimiert elektronische Wechselwirkungen. Dies reduziert Fehlerraten und gewährleistet konstante Signalübertragungszeiten selbst unter anspruchsvollen Bedingungen, was die Stabilität quantenmechanischer Operationen verbessert. Es optimiert Performance und erleichtert Systemtests.
Steffen Bickels Team testet doppelte Interposer-Vergrößerung für Hochfrequenz Anwendungen
Das Forschungskonsortium unter Leitung von Steffen Bickel arbeitet gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen an der Skalierbarkeit eines hochkomplexen Verdrahtungsprozesses für Quanteninterposer. Die Integration koaxialer Leitungen ist essenziell für Hochfrequenz-Signalanwendungen und erfordert präzise Fertigung. In ersten Versuchen wird das Systemverhalten bei einer Vergrößerung des Interposers um Faktor zwei bis drei analysiert, um Leistung, Zuverlässigkeit und Störfestigkeit zukünftiger Demonstratoren sicherzustellen. Anschließend fließen Erkenntnisse in optimiertes Design und Materialien.
QSolid bündelt 25 Institutsressourcen zur Quantenführung und technologischen Souveränität
Mit einer Gesamtinvestition von 76,3 Millionen Euro fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung das QSolid-Konsortium, in dem sich 25 deutsche Institute und Unternehmen zusammenschließen. Ziel ist der Aufbau eines souverän entwickelten Quantencomputers, um die Innovationsbasis in Deutschland abzusichern und die globale Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. Perspektivisch eröffnen sich neue technische Möglichkeiten in Bereichen wie chemischer Analyse, fortschrittlicher Materialentwicklung und präziser medizinischer Diagnostik. Diese Förderung unterstützt zudem international anerkannte Forschungskompetenzen erfolgreich.
Innovatives Packaging und thermische Entkopplung ermöglichen stabile deutsche Quantenprozessorentwicklung
Ein innovatives Zusammenspiel aus supraleitenden Qubits, fortschrittlicher Chip-Verpackungstechnologie und einem extrem dichten Interposer gewährleistet hohe Stabilität und Skalierbarkeit bei Quantenprozessoren. Die thermische Entkopplung isoliert empfindliche Quantenstrukturen von Umgebungseinflüssen, während tausende dünne Leiterbahnen auf minimalem Raum präzise Signalpfade anbieten. Geringe Fehlerraten und verbesserte Signalintegrität ebnen den Weg für einen effizienten, deutschen Quantencomputer, der durch öffentliche Investitionen und exzellentes Forschungsknow-how möglich wird. Er fokussiert auf industrielle Anwendungen und fördert internationale Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig.
