Qubits: Next Level

Quantencomputer machen zu viele Fehler und sind daher für die breite industrielle Anwendung noch nicht einsetzbar. Prof. Dr. Christopher Eichler ent­wickelt eine neue Generation von Quantenprozessoren, die diese Fehler deutlich effizienter korrigieren. Seine Forschung wird mit einem ERC Consolidator Grant in Höhe von 2,7 Millionen Euro gefördert.

Die Herstellungsverfahren unterscheiden sich kaum von denen der klassischen Mikroelektronik: In einer Vakuumkammer wird Aluminium auf eine Siliziumscheibe gedampft, dann werden Leiterbahnen in die Schicht geätzt, anschließend die einzelnen, etwa zwei Quadratzentimeter großen Chips ausgeschnitten. Auf ihnen, und hier wird es speziell, befinden sich sogenannte Josephson-Kontakte – ultradünne Isolierschichten, die es Elektronen erlauben, quantenmechanisch zu tunneln. „Das macht jeden dieser Kontakte zu einem Quantenbit“, erklärt Christopher Eichler, der seit 2022 einen Lehrstuhl für Experimentalphysik leitet.

Die Quantenchips selbst werden größtenteils im 300 Meter entfernten Reinraum des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts hergestellt. Die Integration weiterer Komponenten und die experimentellen Untersuchungen finden dann direkt an Eichlers Lehrstuhl auf dem Erlanger Südgelände statt. „Es ist schon großartig, über ein solches Equipment zu verfügen“, sagt er. Zur Ausstattung an der FAU zählt auch der Kryostat, der wie eine überdimensionale Thermoskanne mitten im Raum an der Decke hängt. Das Gerät kühlt die supraleitenden Quantenbits, kurz Qubits, auf fast den absoluten Temperaturnullpunkt, damit sie nicht durch elektrische Widerstände und Rauschen gestört werden. Seine besondere Expertise bringt Eichler von der ETH Zürich mit, wo er 2013 promoviert wurde und – nach zwischenzeitlichen Forschungsaufenthalten unter anderem an der Princeton University – bis zu seiner Berufung an die FAU geforscht hat. „Zürich ist einer der renommiertesten Standorte der Quantenforschung weltweit“, sagt der 42-Jährige. „Hier hatten wir unmittelbar vor meinem Ruf nach Erlangen ganz grundlegende Durchbrüche bei der Quantenfehlerkorrektur erzielt.“ An die FAU ist Eichler gewechselt, weil er hier etwas Neues aufbauen wollte und dabei, wie er betont, auf ein hervorragendes akademisches und technisches Umfeld setzen konnte.

Das Mainboard mit dem Quantenprozessor. Über die goldfarbenen Kontakte werden die Qubits angesteuert und Messergebnisse ausgelesen. (Bild: FAU/Giulia Iannicelli)

Überlegen, aber fehleranfällig

Dass Quantencomputer klassischen Computern grundsätzlich überlegen sein können, wurde in den vergangenen Jahren vielfach demonstriert. Ihre enorme Leistungsfähigkeit basiert auf einem besonderen Funktionsprinzip der Quantenmechanik: „Qubits nehmen sogenannte Superpositionen an, sie schweben gewissermaßen zwischen null und eins“, erklärt Eichler. „Außerdem können einzelne Qubits miteinander verschränkt werden.“ Beide Eigenschaften erlauben es, riesige Datenmengen gleichzeitig zu verarbeiten. Allerdings sind die Zustände der Qubits extrem fragil: Vor allem äußere Einflüsse wie thermisches Rauschen oder ungenaue Steuerpulse können die Quanteneigenschaften stören oder gänzlich aufheben. Solche Fehler zu korrigieren, ist im Vergleich zu klassischen Computern extrem aufwendig. Würde man den Zustand einzelner Qubits während des Rechenvorgangs auslesen, wäre die gesamte Operation hinfällig. Es gibt jedoch einen Trick, fehlerhafte Prozessoren aufzuspüren: eine Art Quantenwaage. Christopher Eichler greift zu Stift und Papier und zeichnet ein Gitter, in dem Qubits regelmäßig verteilt und miteinander verbunden sind. Inmitten einer Raute von vier Qubits gibt es eines, das als eben solche Waage fungiert. Bislang kann die Prüfeinheit allerdings nur erkennen, in welcher Gruppe ein Problem existiert – die zu korrigierenden Fehler müssen daher aus vielen solcher Prüfmessungen decodiert werden. Um diese rechenintensiven Korrekturverfahren bewältigen zu können, arbeiten die etablierten Player an immer größeren Plattformen. Google plant bereits Quantenrechner mit mehr als 100.000 Qubits. Zum Verleich: Der Sycamore, mit dem der amerikanische Techgigant 2019 erstmals die Quantenüberlegenheit demonstrierte, bestand aus 54. Eichler sieht diesen Ansatz skeptisch: „Wir sollten die Technologie in erster Linie skalieren, um mehr Rechenleistung zu bekommen – nicht primär, um Fehler zu beheben. Das verzögert die Entwicklung des Quantencomputers hin zur industriellen Anwendung.“

Auf einer Siliziumscheibe befinden sich mehrere Quantenprozessoren. (Bild: FAU/Giulia Iannicelli)

Die Idee: Zwilling vereint Rechen- und Kontrollfunktion

Die Strategie, die Christopher Eichler verfolgt, ist eine gänzlich andere: Er will Fehler direkt an der Quelle aufspüren. Dafür entwickeln er und seine Arbeitsgruppe völlig neue Qubit-Typen – Zwillinge, die Quantenwaage und Prozessor in sich vereinen. „Wenn das gelingt, muss bei den meisten detektierten Fehlern nur das betreffende Qubit neu initialisiert werden“, erklärt er.

„Das würde die Redundanz deutlich reduzieren und bei ansonsten vergleichbarer Größe eines Quantenprozessors eine deutlich höhere Rechenleistung ermöglichen.“ Das Vorhaben „Quantum Error Correction with Multispecies Superconducting Circuits“ – kurz: MultiCor-reQCt – wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit einem Consolidator Grant gefördert, der mit 2,7 Millionen Euro dotiert ist. Die Entwicklung einer solch revolutionären Quantenhardware ist komplex – zu komplex, um sie in rein universitären Strukturen bewältigen zu können. Deshalb hat Eichler vor einem Jahr das Startup QUINT Computing gegründet, das schnell wächst und bereits jetzt zehn Mitarbeitende beschäftigt. „QUINT liefert die Quantenprozessoren, skaliert und baut die Systeme, sodass die FAU sich auf die Forschung, Exploration und Validierung der in MultiCorreQCt zu untersuchenden Fragestellungen konzentrieren kann“, sagt Eichler. Gründungspartner ist Michael Hartmann vom Lehrstuhl für Theoretische Physik der FAU, der ebenfalls an Quantencomputern forscht und Mitglied des Google-Teams war, das den Sycamore auf den Weg gebracht hat.

Erste Tests des Prototyps sind bereits erfolgreich absolviert worden. Das Team arbeitet derzeit intensiv an der Optimierung der neuartigen Prozessorarchitektur und profitiert dabei auch von der Einbindung in das Munich Quantum Valley, das im Rahmen der Hightech Agenda Bayern gegründet wurde und den effizienten Wissenstransfer von der Forschung zur Industrie unterstützt. „Durch die Bündelung der Expertise bayerischer Hochschulen sind wir in der Lage, wirklich Neues auf den Weg zu bringen“, sagt Christopher Eichler. „Wir sehen hier ein Zukunftsfeld mit großem Potenzial gerade auch in Europa.“

Matthias Münch

https://www.fau.de/2026/11/news/forschung/quantenforschung/qubits-next-level