Bild des Monats: Kekse für Quantencomputer Aus dem Quantum Valley Lower Saxony

Das Bild des Monats Dezember zeigt einen „Wafer“, wörtlich übersetzt: einen dünnen Keks. Jede Person, die diesen Satz liest, besitzt wohl einen der quadratischen Kekskrümel. Denn auf Wafern entstehen Chips, der Kern jedes elektronischen Systems – vom Smartphone übers Auto bis zur Waschmaschine. Allerdings ist der Wafer im Bild ein ganz besonderes Exemplar: eine Vorlage für Quantencomputer.

Ein Wafer mit Mikro-LED-Chips. Jedes Quadrat ist ein Chip. Bildnachweis: Jan Gülink/TU Braunschweig

Quantencomputer brauchen sehr viele kleine und zugleich präzise Lichtquellen. Zumindest, wenn man einen Ionenfallen-Computer bauen möchte, so wie es das Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) plant – ein Forschungskonsortium unter anderem mit der TU Braunschweig, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Leibniz Universität Hannover. Das Licht steuert die sogenannten Qubits, die kleinsten Recheneinheiten des Quantencomputers. Jedes Qubit kriegt dabei seine eigene Lichtquelle. Bei einem Ziel des QVLS von 50 Qubits bis 2025 sind also auch 50 Lichtquellen gefragt – und das auf der Fläche dieses Buchstabens: Q.

Das Bild des Monats zeigt den Wegbereiter für den Licht-Chip des späteren Quantencomputers, einen Wafer mit Mikro-LED-Chips. Die LED-Plattformen erfüllen bereits viele der Anforderungen: Sie bestehen aus dem richtigen Halbleiter-Material, bringen genügend Lichtquellen auf kleinem Raum unter und sind potenziell zur Massenproduktion geeignet. Tatsächlich sähe das Bild des Quantencomputer-Wafers für Menschen genauso aus wie das Bild des Monats. Nur unterm Mikroskop wäre der Unterschied sichtbar.

Dahinter steckt langjährige Expertise. So stehen im Institut für Halbleitertechnik mit dem „Epitaxy Competence Center – ec²“ alle Geräte bereit, um Chips zu fertigen. Zusätzlich leistet das Exzellenzcluster QuantumFrontiers mit Arbeitsgruppen wie „Nano Light“ Grundlagenforschung, die jetzt dem Quantencomputer zu Gute kommt.

Von der LED zum Laserstrahl

Für einen Quantencomputer müssen die LED-Chips jedoch noch weiterentwickelt werden. Ihr Licht streut zu sehr in die Breite und die Wellenlänge ist „nur“ auf wenige Nanometer genau. Daher müssen die Wissenschaftler*innen des Forschungskonsortiums die LEDs zu Lasern fokussieren: Aus Mikro-LEDs werden dann sogenannte Oberflächenemitter. Damit aus LED-Licht Laser-Licht wird, manipulieren mehrere Spiegel im Inneren des Chips das Licht, bis nur noch ein sehr dünner Strahl einer exakt definierten Wellenlänge herauskommt. Diese optischen Bauteile kommen direkt im Herstellungsprozess in mehreren Schichten mit auf den Wafer der lichtgebenden LED. Dabei ist jede Schicht gerade mal einhundert Nanometer dick, angepasst auf die gewünschte Wellenlänge. Das ist so klein, dass nur noch das hochauflösende Elektronenmikroskop TEM die Spiegel ausreichend überprüfen kann. Gut, dass das Mikroskop nur 100 Meter entfernt bereit steht, im Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA).

Zusammen zum Ziel

Damit am Institut für Halbleitertechnik (IHT) der TU Braunschweig die korrekten Wafer für Quantencomputer entstehen, müssen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der unterschiedlichen Disziplinen des QVLS an einem Strang ziehen. Beispielsweise gibt es bereits Präzisionslaser an der Leibniz Universität Hannover, jedoch nur als Laboraufbauten. Das Ziel am IHT ist daher, die Laser auf Chipgröße zu realisieren und so skalierbar zu machen. Die Integration in den geplanten Quantencomputer geht wiederum nicht ohne die Physikalisch-Technische Bundesanstalt mit ihrer Expertise zu den empfindlichen Qubits.