ARQUE Systems, ein Spin-off aus dem Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen University, will Quantencomputern mit einer skalierbaren Architektur zum Durchbruch verhelfen. Der Clou: Der Prozessor basiert auf konventioneller Halbleitertechnologie. Das erste System wird derzeit in Jülich aufgebaut.

Alle Komponenten sind bereits vor Ort. Nach Abschluss der Testphase soll das erste System von ARQUE Systems am Jülich Supercomputing Centre (JSC) in Betrieb gehen. Die dortige Quantencomputing-Infrastruktur JUNIQ ermöglicht Nutzerinnen und Nutzern aus Wissenschaft und Industrie Zugang zu modernsten Quantencomputern unterschiedlicher Hersteller.

Quantencomputer versprechen ein enormes Potenzial für gesellschaftlich bedeutsame, aber gleichzeitig anspruchsvolle Rechenaufgaben – etwa für die Simulation von Materialien und chemischen Prozessen oder die Lösung komplexer Optimierungsprobleme, die für klassische Digitalrechner typischerweise nicht zu bewältigen sind.

„Für die meisten dieser Anwendungen wären stabile Systeme mit Tausenden bis Millionen Quantenbits wünschenswert. Davon ist man heute noch weit entfernt – genau in dieser Skalierbarkeit liegt die Stärke unseres Ansatzes“, erklärt der Physiker Prof. Hendrik Bluhm.

Mit dem Spin-off ARQUE Systems, das er gemeinsam mit Kollegen des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen University gegründet hat, setzt er auf bewährte Verfahren aus der Halbleiterindustrie.

„Dieser Ansatz hat mehrere Vorteile: Wir können auf bekannte Materialien und Produktionsprozesse zurückgreifen. Gleichzeitig sind unsere Spin-Quantenbits kleiner, robuster gegenüber Störungen und lassen sich prinzipiell in großer Zahl auf einem Chip integrieren“, betont Dr. Markus Beckers, CEO von ARQUE Systems.

„Perspektivisch könnten Millionen Quantenbits auf einem fingernagelgroßen Chip Platz finden – deutlich mehr als mit allen anderen Ansätzen, die bislang realisiert wurden“, so der ehemalige Innovationsberater und Maschinenbauingenieur.

Elektronen-Shuttle für leistungsfähigere Quantenprozessoren

Eine zentrale Herausforderung ist dabei die sogenannte Verschränkung der Quantenbits, kurz Qubits. Diese Kopplung von Quantenzuständen ist eine wesentliche Voraussetzung für die enorme Rechenleistung von Quantencomputern. Um eine Verschränkung von Qubits zu erzielen, müssen diese jedoch sehr eng beieinanderliegen – für große Qubit-Zahlen aus räumlichen Gründen kaum realisierbar.

Auf dem Chip von ARQUE Systems können die Qubits, die selbst nur um die einhundert Nanometer groß sind, mittels eines patentierten Verfahrens verschoben werden. Wie auf einem Fließband lassen sich die Elektronen als Informationsträger der Qubits entlang sogenannter Shuttling-Pfade bewegen, und das über mehrere zehntausend Nanometer, ohne dass die empfindlichen Quantenzustände verloren gehen. So wird es möglich, auch räumlich entfernte Qubits miteinander zu verschränken.

Das zugrunde liegende Prinzip wurde in enger Zusammenarbeit zwischen dem Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen University entwickelt. Noch befindet sich die Technologie in einem frühen Entwicklungsstadium. Der erste Quantenprozessor von ARQUE Systems umfasst fünf Qubits – für Halbleiter-Quantenprozessoren state-of-the-art.

Auch weitere Teile des Systems sind Eigenentwicklungen. „Alle wesentlichen Komponenten stammen aus Nordrhein-Westfalen und wurden hier bis zum Prototypenstadium entwickelt“, erklärt Markus Beckers.

Die ersten Prototypen des Prozessorchips wurde in der Helmholtz Nano Facility (HNF) – dem Reinraum-Komplex der Helmholtz-Gemeinschaft am Forschungszentrum Jülich – gefertigt. Die aktuelle Version entstand in Zusammenarbeit mit dem Entwicklungspartner Infineon.

Kryogene integrierte Schaltungen für mehr Qubits

Das Peter Grünberg Institut – Integrated Computing Architectures (PGI-4) des Forschungszentrums Jülich hat zudem den Engpass der sogenannten „Verkabelungsapokalypse“ im Blick, da heutzutage noch jedes Qubit über eigene Leitungen von außen gesteuert wird. Abhilfe soll eine hocheffiziente kryogene Steuerungselektronik schaffen, die direkt mit Quantenchips von ARQUE Systems integriert werden soll. Forschende am PGI-4 entwickeln dafür zusammen mit der Ausgründung IceCirc GmbH spezielle Chips, wie sie in ähnlicher Form auch in Smartphones zum Einsatz kommen.