Supraleitende Kabel für den Quantencomputer | Über die Herausforderung der Fertigung und Skalierung
Damit ein Quantencomputer sein volles Potenzial entfalten kann, muss er unter extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. Gleichzeitig müssen zahlreiche Signale zur Steuerung und Auslese der Qubits übertragen werden, ohne den Kryostat thermisch zu belasten oder Störungen einzubringen. Um dies zu ermöglichen, braucht es spezielle supraleitende Flachbandkabel, die hohe Signaldichten bei geringem thermischem Aufwand realisieren. Elias Meltzer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer EMFT, entwickelt genau diese Leitungen. Im Interview erklärt er, warum herkömmliche Kabel an ihre Grenzen stoßen, wie die »Rolle-zu-Rolle«-Fertigung die Skalierung ermöglicht und warum Gold ein unverzichtbarer Partner für sprödes Niob ist.
Herr Meltzer, Sie arbeiten am Fraunhofer EMFT in der Abteilung Elektrische Verbindungstechnik. Mit welchen Themen beschäftigen Sie sich in Ihrem Arbeitsalltag?
Wie der Name schon verrät, beschäftigen wir uns in der Abteilung mit allen Arten der Verbindungstechnik. Also mit lösbaren Verbindungen wie Steckkontakten aber auch Crimpen oder Löten. Dabei stützt sich unsere Arbeit auf drei eng verzahnte Säulen: die Forschung, die Analytik und die Schulung für die Industrie. Das heißt, Erkenntnisse aus unserer Forschung fließen direkt in neue Kurse und Schulungen ein, sodass Theorie und Praxis Hand in Hand gehen. Ein Schwerpunktthema, das aktuell immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Entwicklung spezialisierter Hardware-Komponenten für das Quantencomputing. In diesem Kontext entwickeln wir gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus der Abteilung »Flexible Systeme« hochdichte, flexible Flachbandkabel. Das Thema treiben wir gemeinsam mit dem Fraunhofer IIS auch im Rahmen des Munich Quantum Valley (MQV) voran.
Quantencomputer gelten als die nächste Generation von Rechenarchitekturen. Welches technologische Potenzial bergen sie und warum sind sie herkömmlichen Rechnern in bestimmten Bereichen überlegen?
Während klassische Computer mit Bits arbeiten, die nur den Wert Null oder Eins annehmen, können Qubits durch ihre Quanteneigenschaften viele Zustände gleichzeitig repräsentieren. Dadurch können Quantencomputer komplexe Zustände so darstellen, wie sie in der Natur auf atomarer Ebene vorkommen. Deshalb sind sie besonders geeignet, um beispielsweise chemische Katalysatoren oder potenzielle Wirkstoffmoleküle zu simulieren. Davon abgesehen, können Quantencomputer auch viel effizienter sein. In Kombination mit den richtigen mathematischen Operationen lässt sich der Rechenaufwand massiv reduzieren. Wenn ein klassischer Computer z. B. eine bestimmte Zahl unter vielen sucht, braucht er N Versuche. Er muss also N-mal rechnen. Ein Quantencomputer schafft das in nur etwa √N Schritten. Das ist besonders für den Themenbereich Ent- und Verschlüsselung interessant, da Zahlenkombinationen mit einem Quantencomputer entsprechend schneller durchgegangen werden können. Was natürlich bedeutet, dass Sicherheitsverfahren einerseits gestärkt werden, andererseits herkömmliche Codes viel anfälliger für Angriffe werden.
Grundsätzlich ist die Technologie überall dort spannend, wo klassische Rechner an ihre Grenzen stoßen. Allerdings kann ich mir aktuell nicht vorstellen, dass sie komplett durch Quantencomputer ersetzt werden. Ich sehe da eher ein Zusammenspiel der beiden Architekturen.
Google strebt langfristig Quantencomputer mit rund einer Million Qubits an. Warum ist es technisch so schwierig, Quantencomputer auf diese Größenordnung zu skalieren, und welche Rolle spielt dabei die Kühlung der Qubits?
Qubits sind extrem fehleranfällig und unterliegen der Dekohärenz, da sie ihren Quantenzustand bereits bei kleinsten äußeren Einflüssen verlieren. Schon minimales thermisches Rauschen von der Elektronik, die bei Raumtemperatur funktioniert, kann ihren Zustand verändern. Um trotzdem zuverlässig rechnen zu können, werden mehrere physische Qubits zu einem »logischen Qubit« zusammengeschaltet. Fehler, die einzelne physische Qubits treffen, lassen sich so statistisch ausgleichen. Das treibt allerdings die Anzahl der benötigten Qubits und damit den Verkabelungsaufwand massiv in die Höhe. Denn jedes physische Qubit benötigt Leitungen, um gesteuert und ausgelesen zu werden.
Wie jedoch schon erwähnt, werden die Qubits in Kryostaten auf verschiedenen Temperaturebenen bis zu 10 Millikelvin herunter gekühlt, damit die Systeme funktionieren. Das Problem ist nun die physikalische Verbindung. Bei einer Million Qubits und zwei bis drei Kabeln pro Qubit würde so viel Wärme eingeleitet, dass der Kryostat die Temperatur nicht mehr halten könnte. Um störende Einflüsse von oben zu minimieren, werden oft Dämpfungsglieder eingesetzt. Oberhalb des Kryostats wird ein starkes Steuersignal eingespeist, dessen Leistung auf dem Weg nach unten bewusst reduziert wird, sodass beim Qubit nur noch ein Bruchteil ankommt. So wird auch das überlagerte thermische Rauschen gedämpft.
Kommt bei so vielen Kabeln auch ein Platzproblem im Kryostat hinzu?
»Absolut. Herkömmliche Koaxialkabel und SMA-Stecker sind relativ groß. Wenn Sie tausende Leitungen manuell in den Kryostat ziehen müssen, verlieren Sie völlig den Überblick. Schon eine einzige falsche Steckverbindung ist ein riesiges Problem. Und aktuell ist das alles noch Handarbeit auf Laborebene, da Kabel schwer durch Roboter zu händeln sind. Für die von Google geplanten Millionen Qubits ist das eine der größten Hürden. Es braucht also generell eine Herangehensweise, die nicht nur die thermischen Probleme löst, sondern auch extrem platzsparend ist. Hier kommen unsere speziellen supraleitenden Flachbandkabel ins Spiel.«
Wie lösen die am Institut entwickelten supraleitenden Kabel diesen Teufelskreis aus Wärmeleitung und Signalqualität auf?
»Unsere Kolleginnen und Kollegen aus der Abteilung Flexible Systeme arbeiten an extrem dünnen Flachbandkabeln auf Kapton-Basis, die weniger als ein zehntel Millimeter dick sind. Da der Wärmefluss direkt vom Querschnitt abhängt, reduziert diese geringe Dicke schon die Wärme, die nach unten zu den Qubits gelangt. Der entscheidende Clou ist aber das Material. Wir nutzen Supraleiter wie Niob oder Niob-Legierungen.
Diese Materialien leiten unterhalb ihrer Sprungtemperatur von etwa 9 Kelvin Strom hervorragend, aber Wärme fast gar nicht. Sie isolieren thermisch wie der Kunststoff, auf dem sie liegen. So lösen wir das thermische Problem, ohne Signalqualität zu opfern. Gleichzeitig sparen wir massiv Platz. Da wir gemeinsam mit dem IIS die Kabel selbst designen, können wir passive Strukturen wie Filter oder Dämpfungsglieder sogar direkt in das Kabel integrieren, was hochintegrierte Lösungen ermöglicht.«
Das Wiedemann-Franzsche Gesetz
Um den Wärmeeintrag zu stoppen, greift man normalerweise das Wiedemann-Franzsche Gesetz zurück. Es besagt: Materialien, die Strom gut leiten, leiten auch Wärme gut. Deshalb werden für Kabel oft Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie Stahl, eingesetzt. Am Fraunhofer EMFT in der Abteilung Flexible-Systeme kommen jedoch Supraleiter wie Niob zum Einsatz. Diese werden ab ca. 9 Kelvin supraleitend. Sie leiten Strom dann nahezu perfekt, aber Wärme nahezu so schlecht wie ein Isolator Polymer. Das bricht den Teufelskreis aus Wärme und Leitfähigkeit.
Sie erwähnten ein spezielles »Rolle-zu-Rolle«-Verfahren zur Herstellung dieser Kabel. Wie kann man sich das vorstellen?
Das ist ein komplexer Prozess in sieben Schritten. Wir starten mit einer Rolle Kapton-Folie, die als Substrat dient. Die Vorder- und Rückseite der Folien sind durch feine Kontaktlöcher miteinander verbunden.
Der große Vorteil gegenüber herkömmlichen Waferbasierten-Verfahren, bei denen die Größe der Scheibe begrenzt ist, besteht darin, dass wir hier mit flexiblem Substrat zwischen zwei Rollen arbeiten. Das ermöglicht uns theoretisch die Produktion von endlos langen Kabeln am Stück. Das ist ein riesiger Sprung für die Automatisierung und Skalierung.
Das supraleitende Verbindungskabel sieht fast aus wie ein goldenes Geschenkband. Ist das alles Niob?
Das Gold sehen wir vor allem im Kontaktbereich. Niob selbst wird zwar ab etwa neun Kelvin supraleitend, ist aber ein sehr hartes und sprödes Metall. Um eine zuverlässige Verbindung zur Leiterplatte herzustellen, brauchen wir jedoch ein weiches Material, das sich gut anpresst und nicht oxidiert. Da ist Gold ideal.
Auf dem Kabel sind tausende kleiner Löcher. Das sind die Vias, die dafür sorgen, dass jede einzelne Leitung durch einen sogenannten »Via Fence« (einen Schutzzaun aus Durchkontaktierungen) von den benachbarten Leitungen abgeschirmt ist. Dies verhindert das sogenannte Übersprechen (Crosstalk): Dabei würden die elektromagnetischen Felder eines Signals ungewollt Ströme in der Nachbarleitung induzieren und so die hochempfindlichen Quanteninformationen verfälschen.
Wie stellen Sie sicher, dass diese winzigen Kontakte bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt halten?
Das ist eine der größten Herausforderungen. Beim Abkühlen der Raumtemperatur auf fast null Kelvin zieht sich alles thermisch massiv zusammen. Um trotzdem einen sicheren Kontakt zu gewährleisten, setzen wir auf eine Leiterplattendirektkontaktierung. Die Kontaktflächen des Kabels werden mit mechanischer Kraft direkt auf die Flächen der Leiterplatte gedrückt. Dabei verwenden wir spezielle Federelemente und Stempel. Diese halten den Druck genau dort aufrecht, wo wir ihn brauchen.
Anschließend ist ein wenig Geduld gefragt. Da das Material Wärme so schlecht leitet, dauert es eine Weile, bis das System thermalisiert ist, also die Zieltemperatur erreicht hat. Erst dann sehen wir in den Messungen den typischen Sprung des Widerstandes und wissen, dass das Kabel supraleitend ist.
Das Projekt MUNIQC-SC, in dessen Rahmen die Entwicklung der Kabel gefördert wird, läuft noch bis Ende 2026. Wie ist der aktuelle Forschungsstand?
Dazu entwickeln wir derzeit einen System-Demonstrator. Ziel ist es, die Performance echter Qubits unter Verwendung unserer neuartigen Leitungen detailliert zu charakterisieren. Dabei steht der Nachweis im Vordergrund, dass die Signale verlustfrei und ohne störende Wechselwirkungen übertragen werden können, was eine entscheidende Voraussetzung für die Skalierbarkeit zukünftiger Quantenprozessoren ist.
Parallel dazu optimieren wir die Fertigungsprozesse, um die Materialreinheit an den entscheidenden Schnittstellen weiter zu erhöhen. Durch innovative Prozessschritte stellen wir sicher, dass die Integrität der supraleitenden Pfade über die gesamte Kabellänge hinweg gewahrt bleibt.
Welche Messungen haben Sie bisher durchgeführt, um die Qualität der Kabel zu prüfen?
Ein wesentlicher Meilenstein war die Bestimmung der S-Parameter (Streuparameter) unserer Leitungen. Diese Kennzahlen beschreiben präzise, wie Signale und Wechselströme bei unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden. Unsere Messungen decken eine Bandbreite von 0 bis 10 GHz ab – ein Bereich, der weit über den typischen Arbeitsfrequenzen aktueller Quantensysteme von etwa 5 GHz liegt.
Durch die Analyse der Impulse konnten wir die Effizienz der Signalübertragung (Transmission) sowie die Signalreflexionen untersuchen. Dabei zeigt sich die Supraleitung der Kabel bereits deutlich: Die Verluste sind minimal, was belegt, dass die Leitungen die hohen Anforderungen an die Signalintegrität erfüllen. Diese Ergebnisse bilden die ideale Basis für den nächsten Schritt: den Aufbau eines System-Demonstrators, um die Performance der Leitungen direkt im Betrieb mit Qubits zu validieren.
In Deutschland arbeiten Forschungsgruppen und Firmen aktuell an Systemen mit rund 30 Qubits, während Google bereits gezeigt hat, dass sich über 100 physische Qubits zu logisch verschalteten Qubits kombinieren lassen. Wann rechnen Sie mit dem großen Durchbruch bei der Skalierung?
Das ist schwer vorherzusagen. Google hat mit seinen 105 Qubits einen wichtigen Schritt gemacht, aber wir stehen bei der notwendigen Infrastruktur noch am Anfang. Ich bezeichne unsere Arbeit gern als »Enabling-Technology«, denn erst wenn wir die Hardware-Probleme – also die Kabel, die Kontaktierung und die Kühlung – wirklich im Griff haben, wird die Skalierung auf tausende oder Millionen Qubits möglich sein.
Das Interesse der Industrie ist jedenfalls riesig. Wir sehen, dass sowohl große Kabelhersteller als auch Unternehmen, die Quantencomputer bauen, auf uns zukommen. Das zeigt uns, dass es hier einen massiven Entwicklungsbedarf gibt, den die Standard-Industrie aktuell noch nicht allein lösen kann. Wir arbeiten deshalb in Projekten wie MUNIQC-SC oder auch MQV eng mit Partnern wie dem Fraunhofer IIS zusammen.
Gibt es Branchen, die besonders auf diese Rechenleistung warten? Wo wird der Quantencomputer zuerst einen Unterschied machen?
Der eigentliche Wert dieser Technologie wird sich vor allem dort zeigen, wo unsere heutigen Rechner an ihre Grenzen stoßen. Ein besonders spannendes Feld sind die Werkstoffwissenschaften: Automobilhersteller investieren bereits heute Zeit und Ressourcen in das Thema, weil sie Materialeigenschaften auf einer ganz neuen Ebene verstehen wollen.
Auch in der Chemie und Biologie steht uns ein echter Umbruch bevor. Da Quantencomputer die Natur mit ihren eigenen Mitteln simulieren, können sie komplexe Moleküle und deren Reaktionen viel präziser beurteilen.
Nicht zuletzt spielt die Sicherheit eine große Rolle. Das Thema Verschlüsselung wird oft als erstes genannt, wenn es um Quantencomputing geht. Einerseits fordern diese neuen Kapazitäten unsere aktuellen Sicherheitsstandards heraus, andererseits eröffnen sie uns völlig neue Wege, Daten absolut abhörsicher zu übertragen. Letztlich wird Quantencomputing für jede Aufgabe interessant, bei der es darum geht, aus unzähligen Möglichkeiten den besten Zustand herauszufiltern. Das reicht bis in die Raumfahrt.
Text von: Katharina Förster
FMD.institute mit Bezug zu diesem Text
