Quantentechnologien sind eine Schlüsseltechnologie der Zukunft mit enormem Potenzial für unsere Gesellschaft und Wirtschaft. Ihre Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Simulation neuer Medikamentenwirkstoffe bis hin zu abhörsicherer Kommunikation. Mit dem neuen Handlungskonzept wollen wir Deutschland in den Quantentechnologien einen Platz an der Weltspitze und unsere technologische Souveränität sichern.
Bundesministerin für Bildung und Forschung Bettina Stark-Watzinger in der Erklärung zum neuen „Handlungskonzept Quantentechnologien“ der Bundesregierung
Rechenintensive Technologien und Anwendungen, wie die künstliche Intelligenz, die Edge-Datenverarbeitung oder die Optimierung komplexer Systeme bringen die klassischen Digitalrechner vermehrt an ihre Leistungsgrenzen. Dies äußert sich beispielsweise bei Simulationen in der Chemie und Pharmazie zur schnelleren Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe, bei optimierten Abläufen in komplexen Produktionslinien oder im Straßen- und Güterverkehr. Einen vielversprechenden Lösungsansatz bieten hierbei das sogenannte Quantencomputing (QC) und neuromorphes Computing (NC). Sie gelten als die wesentlichen Grundlagen für das Next Generation Computing, also für neuartige Rechentechnologien, ohne die zukünftig viele wettbewerbs- und sicherheitskritische Anwendungen nicht realisiert werden können.
Um die in Deutschland vorhandene mikroelektronische Forschung und Entwicklung in Bezug auf Quantencomputing und neuromorphes Computing zu bündeln und auszubauen, startete die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) zusammen mit vier weiteren Fraunhofer-Instituten, dem Forschungszentrum Jülich und der AMO GmbH Ende 2022 ein gemeinsames Vorhaben: Die »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland – Module Quanten- und neuromorphes Computing« (FMD-QNC).
Mit »FMD-QNC« zur Entwicklung der zukünftigen Hardware-Basis für neuartige Rechentechnologien beitragen
Aktuell wird in Deutschland in vielen grundlagenorientierten Forschungsprojekten an QC und NC gearbeitet. Es fehlen aber noch ausreichend Möglichkeiten für eine anwendungsnahe Fertigung und Erprobung der für die hochkomplexen Rechentechnologien benötigten Hardware-Entwicklungen sowie eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in Prototypen und Kleinserien. Um Forschende und Unternehmen bei der Entwicklung von maßgeschneiderter Mikroelektronik und skalierbaren Fertigungs- und Integrationsverfahren für die neuen Rechentechnologien bestmöglich zu unterstützen, soll die bereits als One-Stop-Shop für Mikro- und Nanoelektronikforschung etablierte Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) um die »Module Quanten- und neuromorphes Computing« (QNC) erweitert werden. Dafür werden beispielsweise die Anlagenparks und verschiedenen Fertigungslinien der beteiligten Partner sowie die Kompetenzbreite der 13 FMD-Institute durch die Einbindung der Fraunhofer-Institute IMWS, IOF, IPM und ILT sowie des Forschungszentrums Jülich und der AMO GmbH ausgebaut.
Maßgeschneiderte Mikroelektronikfertigung durch skalierbare Fertigungs- und Integrationsverfahren für QC und NC
Aufbauend auf den von FMD geschaffenen organisations- und standortübergreifenden Kompetenzen lässt sich das geplante Vorhaben FMD-QNC zielgerichtet und effizient umsetzen. Um eine ganzheitliche Forschungsstruktur für neuartige Rechentechnologien auf höchstem Niveau zu schaffen, werden die Kooperationspartner in den kommenden drei Jahren mit Designtools, Mess- und Charakterisierungstechniken sowie Fertigungsanlagen, die für die anwendungsnahe Erforschung hochkomplexer QC- und NC-Technologien erforderlich sind, schrittweise und bedarfsgerecht ausgestattet.
Die Forschungsstrukturen werden zu industrienahen Forschungs- und Pilotlinien vernetzt, unter anderem für supraleitende und memristive Schaltkreise, 3D-Systemintegration und hochintegrierte Strahlquellen. Im Ergebnis sollen Lösungen für die teilweise extremen Betriebsumgebungen mit hohen Anforderungen, wie Ultrahoch-Vakuum, kryogene Temperaturen oder besonderer elektromagnetischer oder thermischer Abschirmung bzw. Entkopplung erarbeitet werden können. Damit werden die prozesstechnischen und technologischen Voraussetzungen für Design, Herstellung und Charakterisierung von Chips für neuromorphes Computing wie auch verschiedene QC-Technologien (Supraleiter-, Neutralatom-, Ionenfallen- und Festkörperspin-basiert) geschaffen.
