Standardisierung für photonische ICs

Quantencomputer kommerzialisieren

22. September 2022, 8:49 Uhr | Heinz Arnold

Um Quantencomputer zu kommerzialisieren, sollen Photonische ICs (PICs) die heute üblichen globigen Laborgeräte ablösen. Ein Projekt in Großbritannien treibt jetzt die Standardisierung der QPICs voran.

Quantum Photonic Integrated Circuits (QPICs) sollen globige Laborgeräte ablösen, um Quantencomputer in größeren Stückzahlen für reale Anwendungen zu produzieren. Im Rahmen des mit 500.000 Pfund ausgestatteten Projekts »Quantum Photonic Integrated Circuit PACkaging« (QPICPAC) sollen unter Führung von Wave Photonics Standards entwickelt werden, um den Entwicklungsaufwand für QPICs zu minimieren und die Kosten für Hersteller von Geräten auf Basis von Quantentechniken zu reduzieren.

QPICs werden mit Hilfe derselben Prozesse wie herkömmliche ICs gefertigt – sie prozessieren allerdings Licht statt elektrischen Strom. Chips die mit Licht arbeiten, sind schon seit vielen Jahren unter der Bezeichnung »PICs« (Photonic Integrated Circuit) bekannt. Sie werden beispielsweise in energieeffizienten Hochleistungs-Transceivern eingesetzt, die in Datenzentren, in LiDAR-Systemen für Autos und in der Medizintechnik verwendet werden. Außerdem eignen sie sich hervorragend für den Einsatz rund um die Quantentechnologien, von Sensoren über die Kommunikation bis zu Quantencomputern.

Derzeit sind ziemlich klobige und teure optische Apparaturen erforderlich, um beispielsweise Ionenfallen – eine der Möglichkeiten, Quantenprozessoren zu realisieren – oder Quantenkommunikationssysteme aufzubauen. Das funktioniert im Labor, aber um Quantentechnologien in realitätsnahe Anwendungen zu bringen und in Stückzahlen zu produzieren, müssen andere Wege beschritten werden. Eine Möglichkeit wäre, QPICs einzusetzen, die in bekannten skalierbaren Fertigungsprozessen in hohen Stückzahlen hergestellt werden können.

Eine Schlüsseltechnologie für diese PICs ist die Gehäusetechnologie. Denn das Licht muss in die ICs ein- und nach der Verarbeitung aus den ICs ausgekoppelt werden und die Gehäuse dafür entsprechend ausgelegt sein. Die Gehäuse schützen die ICs außerdem vor äußeren Einflüssen, müssen also auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen abgestimmt sein, in denen der Chip arbeitet. Heute werden die Gehäuse deshalb anwendungsspezifisch ausgelegt. Das bedeutet: langwierige und teure Entwicklungen.

Das zu ändern, ist das Ziel des QPICPAC-Projekts unter Führung der britischen Wave Photonics. Das in Cambridge ansässig Start-up entwickelt Werkzeuge, IP und robuste Bibliotheken und will damit eine neue Methode auf Basis von Simulation, statistischer Modellierung und Optimisierungstechniken für photonische ICs und deren Test erstellen. Das würde den Designern erlauben, QPICs mit nur noch wenigen oder keinen spezifischen Komponenten einfacher und kostengünstiger als bisher zu designen und zu fertigen.

Als Zielkunde an dem Projekt wird der britische Start-up Quantum Dice teilnehmen. Das Unternehmen entwickelt auf Basis von Quantentechnologie beruhende Zufallszahlengeneratoren, in denen QBICs Einsatz finden. Am Beispiel von Quantum Dice können alle Beteiligten realitätsnah erfahren, welche Anforderungen Unternehmen, die im Umfeld der Quantentechnologien kommerzielle Geräte in hohen Stückzahlen auf den Markt bringen wollen, an QPICs stellen.

An dem von Innovative UK finanzierten Projekt QPICPAC sind neben Projektführet Wave Photonics und Quantum Dice der Package-Design- und Assembly-Spezialist Alter Technology TUV NORD UK, Senko Advanced Components, die University of Southampton und die University of Bristol beteiligt.