Revolutionäre Technologie für mobile Quantensimulationen
Die Quantensimulation ist ein wichtiges Instrument zur Lösung komplexer Probleme in den Bereichen Physik, Chemie und Technik, herkömmliche Systeme erfordern allerdings enorme Ressourcen und extreme Bedingungen. Über das EU-finanzierte Projekt EPIQUS wurde mit der Konzeption eines kompakten, siliziumbasierten Quantensimulators, der bei Raumtemperatur arbeitet, ein entscheidender Schritt getan.
Hürden in der Quantensimulation überwinden
Mit photonischen Quantensimulatoren können Forschende reale Szenarien modellieren, ohne die Risiken oder Kosten physikalischer Experimente einzugehen. Die Integration von Photonik und Elektronik auf einem einzigen Chip ist allerdings enorm schwierig. „Silizium ist der beste Werkstoff für verlustarme photonische Schaltungen und hocheffiziente Photodetektoren. Bei einer bestimmten Wellenlänge kann ein einzelner Siliziumchip jedoch nicht gleichzeitig als Lichtwellenleiter und als absorbierender Detektor fungieren“, bemerkt Mher Ghulinyan, der Projektkoordinator von EPIQUS. Deshalb kombinierte EPIQUS ausgereifte mikroelektronische Silizium- und Siliziumnitrid-Quantenphotonik-Funktionen und schuf so eine bahnbrechende Plattform. Das Ergebnis ist ein bei Raumtemperatur fungierender Quantensimulator mit chipintegrierten skalierbaren Einzelphotonen-Avalanche-Detektoren.
Wissenschaft und Praxis verbinden
Das Projektteam befasste sich außerdem mit der Übersichtlichkeit, indem ein Quantencompiler entwickelt wurde, mit dem Forschende auf den Simulator zugreifen und ihn aus der Ferne zu bedienen können. „Über eine Weboberfläche können Endnutzende auf die Quantenhardware zugreifen, das gewünschte Experiment einstellen und es auf dem Quantensimulator ausführen“, kommentiert Ghulinyan. Diese Funktion erweitert die möglichen Anwendungen des Simulators über die Quantenwissenschaft hinaus auf Bereiche wie Telekommunikation und Biophotonik. EPIQUS integrierte photonische Schaltungen auf der Basis von Siliziumnitrid (SiN) mit Silizium-Photonendetektoren zur Erzielung von Effizienz im sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereich. Siliziumnitrid ist im gesamten UV- bis Infrarotspektrum transparent. Durch den Entwurf von SiN-basierten Quantenschaltungen optimierte das Forschungsteam die photonische Integration mit Einzelphotonen-Avalanche-Detektoren für den Betrieb bei Raumtemperatur.
Den Weg für die Industrie bereiten
EPIQUS verbindet hochmoderne Forschung mit industrieller Skalierbarkeit. Die Plattform unterstrich die Realisierbarkeit im Wafer-Maßstab und bewies ihre Kompatibilität mit bestehenden CMOS-Fertigungsprozessen. Eine künftige Optimierung könnte den Technologietransfer für industrielle Anwendungen fördern und Europa an die Spitze der Quantentechnologien führen.
Transformative Auswirkungen
Der Prototyp des EPIQUS-Quantensimulators auf Chip-Ebene ist ein großer Schritt in Richtung Barrierefreiheit. „Kurzfristig wird sich unser Demonstrator mit Quantenproblemen befassen und diese anhand bekannter Benchmarks testen. Langfristig können Forschende und Studierende Quantenkonzepte von einem Standard-PC aus erforschen“, erklärt Ghulinyan. Die aus dem Projekt hervorgegangenen Innovationen versprechen einen weitreichenden gesellschaftlichen Nutzen. Branchen, die auf Simulationen angewiesen sind, wie z. B. die Pharmaindustrie oder das Finanzwesen, könnten Quantensimulatoren für genauere Vorhersagen in der Praxis einsetzen. EPIQUS erlaubt kompakte, energieeffiziente Geräte und schließt damit die Lücke zwischen modernster Quantenwissenschaft und industriellen Anforderungen. Mit seinen Errungenschaften setzt das Projekt EPIQUS einen Maßstab für die Quantenwissenschaft, fördert neue Technologien und erweitert den Zugang zu fortgeschrittenen Simulationsinstrumenten.
Schlüsselbegriffe
EPIQUS, Quantensimulator, Photonik, SiN-basierte Schaltungen, CMOS-Kompatibilität, Quantenintegration, skalierbare Photonendetektion, Einzelphotonen-Avalanche-Detektoren
