Q-STAR shuttling-basierter Halbleiterquantencomputer

Der Auftrag kann aufgrund von Ausschließlichkeitsrechten, darunter von Rechten des geistigen Eigentums, nur von einem bestimmten Wirtschaftsteilnehmer ausgeführt werden. Durch den kontrollierten Transport von Spin-Qubits lässt sich die physische Anordnung der Qubits stärker von den Anforderungen der notwendigen Steuerung
entkoppeln: Qubits können bedarfsgerecht über größere Distanzen transportiert und an definierten Positionen für gezielte Wechselwirkungen und Quantenoperationen zusammengeführt werden. Dadurch kann die direkte Kopplung räumlich benachbarter Qubits durch eine dynamisch anpassbare Verbindungsstruktur ergänzt oder ersetzt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, gemeinsam genutzte Steuersignale über größere Bereiche des Quantenprozessors einzusetzen und dadurch die für die Ansteuerung erforderliche Anzahl elektrischer Verbindungen deutlich zu begrenzen. Gleichzeitig können Bereiche für Initialisierung, Auslese und Quantenoperationen räumlich voneinander getrennt und über Shuttling miteinander verbunden werden, wodurch sich eine hohe Qubit-Integrationsdichte mit einer kontrollierten und flexibel anpassbaren Konnektivität verbinden lässt. Die Integration einer solchen dynamischen Verbindungs- und Routingstruktur stellt daher eine zentrale architektonische Voraussetzung für die Realisierung halbleiterbasierter Quantenprozessoren mit für Quantenfehlerkorrektur erforderlichen Qubit-Anzahlen sowie kryogener Kontrollelektronik dar. Zur Adressierung der oben skizzierten Herausforderungen wird von der ARQUE Systems GmbH eine patentierte Architektur entwickelt, die auf Basis von Elektronen-Spin-Shuttling im Si/SiGe-Materialsystem einen vollständig skalierbaren Quantenprozessor realisieren kann A1), der alle zuvor diskutierten Anforderungen gleichermaßen erfüllt. Die Kerntechnologie stellt dabei das Shuttling im sog. Conveyor-Modus für die Verschaltung der einzelnen Qubits des Quantenprozessors dar, bei dem unabhängig von der angestrebten Shuttling-Distanz lediglich vier Kontrollsignale benötigt werden. Erst durch diesen technologischen
Fortschritt wird eine sinnvolle Skalierung ermöglicht. Für die Implementierung von skalierbaren Quantenfehlerkorrekturverfahren ist zudem zwingend eine zweidimensionale Konnektivität von Qubits erforderlich, was durch das von der ARQUE Systems GmbH entwickelte T-Kreuzungselement ermöglicht wird. Ferner wird von der ARQUE Systems GmbH Shuttling für die Manipulation von Qubits eingesetzt, was experimentell belegt, die Zuverlässigkeit der Qubit-Operationen erhöht.

Im Rahmen einer detaillierten Markterkundung wurden alternative Architekturen und Anbieter analysiert, die jedoch nciht die definierten technischen Anforderungen u.a. an eine erfolgreiche Implementierung von Shuttling und einem Shuttling-basierten Architekturansatz sowie eine dicht gepackte Qubit-Anordnung. Der mangelnde Wettbewerb ist auch nicht das Ergebnis einer künstlichen Einschränkung der Auftragsparameter. Es kommt dem FZJ nicht auf die Einschränkung des potenziellen Bieterkreises an. Die Ausschließlichkeitssituation wurde gerade nicht ohne sachliche Gründe künstlich herbeigeführt.

Der umfassende Patentschutz von 20 Patentfamilien über die verschiedenen Bauelemente und Betriebsverfahren für die von der ARQUE Systems GmbH verfolgte shuttling-basierte Architektur stellt einen Ausnahmetatbestand nach § 14 Abs. 4 Nummer 2 Buchstabe c dar.