Das QSolid-Konsortium unter der Koordination von Fraunhofer IZM-ASSID und IPMS entwickelt in Kooperation mit GlobalFoundries, Forschungszentrum Jülich und RWTH Aachen einen deutschen Quantenrechner auf Basis supraleitender Qubits mit niedrigsten Fehlerraten. Eine neuartige Interposer-Plattform ermöglicht über 10 000 Leiterverbindungen auf 20×15 Millimetern und trennt thermisch Steuer- und Rechenschicht. Ein zehn Qubit-Prototyp mit vollständigem Softwarestack und Cloud-Interface demonstriert Benchmarks. Erste Experimente prüfen fehlerkorrigierende Architektur und Skalierungsstrategien. Die BMBF-Förderung beträgt 76,3 Millionen Euro.
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Innovative Packaging-Technologie verbindet Qubits und Steuerelektronik elektrisch thermisch stabil
Verbindet Qubits mit ihrer Steuerung (Foto: Fraunhofer IZM-ASSID. Steffen Bickel)
Die Initiative QSolid vereinigt deutsche Forschungspartner, die auf supraleitende Qubits setzen, um Rechenaufgaben aufgrund von Überlagerung in kürzester Zeit zu lösen. Fraunhofer IZM-ASSID steuert dabei hochentwickelte Verpackungsmethoden bei und hat zusammen mit Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries einen internen Interposer konzipiert. Dieser garantiert eine elektrische und thermische Anbindung zwischen den Quantenbits und der Steuerhardware. Durch die optimierte Integration werden Störquellen reduziert, Signalintegrität gesichert und Prozessstabilität gewährleistet sowie modulare Skalierbarkeit effizient ermöglicht.
Fehlerraten und Komplexität steigen mit zunehmender Qubit-Zahl drastisch an
Qubits erlauben durch ihre quantenmechanische Superposition die simultane Verarbeitung verschiedener Zustände innerhalb eines einzigen Registerelements. Auf diese Weise beschleunigt ein Quantenprozessor komplexe Rechenoperationen exponentiell im Vergleich zu klassischen Architekturen. Allerdings erhöht das Hinzufügen weiterer Qubits auch die Anforderungen an die Systemstabilität und Kopplungspräzision. Fehlerquellen wie Dekohärenz oder Crosstalk müssen durch ausgeklügelte Fehlerkorrekturmethoden unterdrückt werden. Eine modulare Steuerung und regelmäßige Validierung sind daher essenziell. Effiziente Kühlung und präzises Timing optimieren Leistung.
QSolid-Ansatz konkurriert weltweit mit Google IBM und Intel Quantenprojekten
Mit QSolid wird eine Plattform entwickelt, die auf supraleitenden Schaltkreisen der neuesten Generation basiert und durch extrem niedrige Fehlerraten überzeugt. Ein gezieltes Schaltungsdesign in Verbindung mit hochreinen Materialien sorgt für überlegene Qubit-Qualität, was längere Kohärenzzeiten sichert. Dieser Vorstoß etabliert einen global führenden Ansatz, der Projekte von Google, IBM und Intel herausfordert und neue Maßstäbe in der Quantenprozessorentwicklung setzt. Flexible skalierbare Modularchitektur und effiziente optimierte Fertigungsprozesse erlauben leistungsfähige zukünftige industrielle Anwendungen.
Forschungszentrum Jülich betreibt seit September QSolid-Demonstrator mit zehn Qubits
Im Forschungszentrum Jülich wurde der Halbzeit-Demonstrator des QSolid-Projekts im September 2023 in Betrieb genommen. Er besteht aus zehn supraleitenden Qubits, einem umfassenden Softwarestack sowie einem sicheren Cloud-Interface für externe Nutzer. Dieses Setup erlaubt standardisierte Prüfverfahren und ausführliche Performance-Analysen unter realen Bedingungen. Erkenntnisse daraus fließen in die Planung und Fertigung mehrerer Quantenprozessor-Designs ein, die bis Ende 2026 entwickelt werden, um den ersten deutschen Quantencomputer vorzubereiten mit verbesserter Kohärenzzeit und niedrigen Fehlerraten.
Thermomechanisch stabiler Interposer isoliert Quantenchip von Steuerungselektronik schützt Signallaufzeiten
Der IZM-ASSID-Interposer misst lediglich zwanzig mal fünfzehn Millimeter und bietet Platz für über zehntausend hauchdünne Verbindungen, die auf kleinster Fläche verlaufen. Durch seine ausgelegte thermomechanische Robustheit widersteht er Temperaturänderungen ohne Verzug. Eine integrierte Wärmeentkopplung isoliert den Quantenchip effektiv von seiner elektronischen Steuerung, wodurch Störeinflüsse minimiert werden. Dies sichert konstante Signalphasen und hohe zeitliche Präzision, was letztlich die Fehleranfälligkeit reduziert und die Effizienz des Quantensystems steigert. Es unterstützt modulare Weiterentwicklungen nachhaltig.
Koaxiale Strukturen sichern Interposer-Leistung bei hoher Frequenz und Skalierung
Das Bickel-Team untersucht gemeinsam mit Jülich und der RWTH Aachen die Erweiterung des Verdrahtungsprozesses für Quanteninterposer und erprobt koaxiale Strukturen zur Umsetzung von Hochfrequenzanwendungen. Der Fokus liegt auf Signaltreue und thermischer Stabilität bei einer Vergrößerung des Interposers um zwei bis drei Mal. Durch gezielte Systemanalysen werden Performance-Eigenschaften dokumentiert, Störeinflüsse bewertet und wichtige Daten für die Entwicklung leistungsfähiger Quanten-Demonstratoren erhoben. Parallel dazu optimiert das Team Herstellungsparameter und Validierungsverfahren für zukünftige Systeme.
Inländischer Quantencomputer öffnet Einsatzzweige in Chemie Materialforschung und Medizintechnik
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung stellt 76,3 Millionen Euro für das QSolid-Vorhaben bereit, das 25 deutsche Forschungsinstitute und Industriepartner einbindet. Mit diesem Budget sollen nationale Entwicklungskapazitäten im Quantencomputing gestärkt und die technologische Unabhängigkeit gesichert werden. Der Aufbau eines innovativen Quantencomputers auf heimischer Basis fördert nicht nur die wissenschaftliche Exzellenz, sondern schafft zugleich neue Anwendungsfelder in der Chemie, Materialwissenschaft und medizintechnischen Forschung. Außerdem werden Kompetenzen für zukünftige industrielle Anwendungen aufgebaut.
Deutsche Entwicklungsführung und staatliche Förderung treiben leistungsfähige souveräne Quantencomputing-Zukunft
Die Verbindung supraleitender Qubits mit hochpräziser Packaging-Technologie und einem kompakten Interposer eröffnet neue Perspektiven für modulare Quantenprozessoren. Die thermomechanische Entkopplung minimiert äußere Störeinflüsse, während die hohe Verdrahtungsdichte flexible Signalrouten auf kleinstem Raum ermöglicht. Dadurch sinken Fehlerraten deutlich und die Systemintegration wird vereinfacht. Gefördert durch umfangreiche Bundesmittel und getragen von führenden Forschungseinrichtungen überzeugt dieses Konzept als Schlüsseltechnologie für Simulationen und zukunftsweisende Anwendungen. Es schafft Grundlagen für Effizienzsteigerung in Chemieentwicklung und Medizintechnik.
