Quantencomputing ist längst keine auf das Labor beschränkte Science-Fiction mehr. Es handelt sich um ein neues Rechenparadigma, das das Potenzial besitzt, Probleme zu lösen, die für klassische Systeme unlösbar sind. Von der Simulation komplexer Moleküle für neue Medikamente bis hin zur Entdeckung neuer Materialien – Quantencomputer werden ganze Branchen revolutionieren. Doch der Bau von Quantencomputern in großem Maßstab erfordert mehr als nur brillante Ideen. Er erfordert erstklassiges Know-how in der Halbleiterfertigung. Hier spielt GlobalFoundries (GF) eine entscheidende Rolle. Als führende foundry ist GF einzigartig positioniert, um die Quantenrevolution voranzutreiben – ganz gleich, welcher Hardware-Ansatz sich letztendlich durchsetzen wird.

Was ist Quantencomputing?
Quantencomputing nutzt die drei Grundprinzipien der Quantenmechanik: Superposition (ein Qubit kann sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden), Verschränkung (Qubits können miteinander verbunden sein, sodass der Zustand eines Qubits einen anderen sofort beeinflusst) und Interferenz (die die Wahrscheinlichkeit korrekter Antworten erhöht und gleichzeitig falsche Antworten ausschließt).

Während ein klassisches Bit nur als 0 oder 1 existieren kann, kann ein Qubit in einer Überlagerung beider Zustände gleichzeitig existieren, bis es gemessen wird. Wenn viele Qubits kombiniert werden, wird das System durch eine exponentiell große Menge möglicher Zustände beschrieben, die mathematisch als Amplituden dargestellt werden – eine Eigenschaft, die oft als Quantenparallelität bezeichnet wird. Eine Folge von Quantengattern transformiert diese Amplituden, doch wenn das Ergebnis der Berechnung gemessen wird, liefert es immer noch nur ein einziges Ergebnis. Der praktische Vorteil des Quantencomputings liegt in Algorithmen, die Quanteninterferenzen nutzen, um die Wahrscheinlichkeit korrekter Antworten zu erhöhen und gleichzeitig falsche Antworten zu unterdrücken. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, ein brauchbares Ergebnis zu erhalten, beispielsweise durch Amplitudenverstärkungstechniken, die Beschleunigungen nach Grover verallgemeinern.

Quantencomputer lassen sich daher am besten als Spezialbeschleuniger betrachten. Bei bestimmten Aufgaben wie der Simulation von Quantensystemen, der strukturierten Suche, der Stichprobenentnahme oder der Ermittlung globaler Eigenschaften sind sie klassischen Systemen überlegen, während sie klassische Computer bei alltäglichen Aufgaben ergänzen.

Ein Meilenstein für die Industrie
Die Auswirkungen von Quantencomputern mit ausreichend leistungsfähigen Qubits werden tiefgreifend sein:

  • Pharmazeutika und Biowissenschaften: Präzise Molekülsimulationen könnten die Entwicklungszeiten für neue Medikamente von Jahren auf Monate verkürzen.
  • Finanzen: Quantenalgorithmen werden die Portfoliooptimierung, die Risikomodellierung, die Betrugsaufdeckung und die Preisberechnung von Derivaten revolutionieren und so schnellere und genauere Einblicke in volatilen Märkten ermöglichen.
  • Logistik und Lieferkette: Eine Echtzeitoptimierung von Routen, Lagerbeständen und Produktionsplänen könnte die Kosten drastisch senken und die Widerstandsfähigkeit verbessern.
  • Materialwissenschaften und Energie: Die direkte Modellierung komplexer Quantenwechselwirkungen zwischen Elektronen könnte die Entwicklung bahnbrechender Materialien wie Supraleiter, fortschrittlicher Batterien, Photovoltaik und Festkörperelektrolyten beschleunigen.
  • KI und maschinelles Lernen: Quantenunterstützte Modelle versprechen Durchbrüche bei der Mustererkennung und der generativen KI.
  • Cybersicherheit: Während Quantencomputer die derzeitige Verschlüsselung gefährden (was den Übergang zur postquantenkryptografischen Verschlüsselung erforderlich macht), ermöglichen sie gleichzeitig eine extrem sichere Quantenschlüsselverteilung.

McKinsey und andere schätzen den Wert des Quantencomputings auf mehrere zehn bis mehrere hundert Milliarden Dollar jährlich, sobald Systeme mit einigen hundert bis tausend logischen Qubits (den für zuverlässige Berechnungen erforderlichen, fehlerkorrigierten Einheiten) verfügbar sind.

Die Frage ist nicht, ob es dazu kommt, sondern wann und wie schnell wir dort ankommen.

Der Weg zur Skalierung: Fertigung und die Herausforderung der Modalität
Die Quantencomputertechnik tritt in eine neue Phase ein. Die Frage ist nicht mehr, ob Qubits im Labor funktionieren, sondern wie komplette Quantensysteme zuverlässig hergestellt und skaliert werden können, um sie in der Praxis einzusetzen.

Derzeit gibt es in der Branche keinen Konsens hinsichtlich einer einzigen Qubit-Technologie. Zu den führenden Ansätzen zählen supraleitende Schaltungen, gefangene Ionen, photonische Qubits, Silizium-Spin-Qubits, neutrale Atome, topologische Qubits und andere. Jede davon weist unterschiedliche Stärken und Kompromisse hinsichtlich der Fidelity (Genauigkeit der Quantenoperationen), der Kohärenz (wie lange die Qubits ihre „Quantenheit“ beibehalten), der Skalierbarkeit (wie viele Qubits lassen sich in ein System packen) und der Betriebstemperatur auf. Diese Vielfalt ist gesund und treibt Innovationen voran, bedeutet aber auch, dass die endgültigen Gewinner diejenigen sein werden, die in der Lage sind, zuverlässig und zu angemessenen Kosten in großen Stückzahlen zu produzieren – unabhängig davon, welche Architektur sich durchsetzen wird.

Genau hier bildet das Halbleiter-Know-how von GF die solideste Grundlage für das Quanten-Ökosystem

Warum GF der beste Partner ist – unabhängig von der Quantenbit-Technologie
Angesichts der Ungewissheit darüber, welche Quantenbit-Technologien sich letztendlich durchsetzen werden, besteht die entscheidende Herausforderung für die Branche nicht darin, einzelne Bauelemente im Labor zu testen, sondern eine wiederholbare Fertigung mit hoher Ausbeute zu ermöglichen, die einen klaren Weg zur Serienproduktion aufzeigt. Anstatt auf eine einzige Qubit-Technologie zu setzen, verfolgt GF bei der Quanteninformatik einen „Manufacturing-First“-Ansatz – den Aufbau skalierbarer, konfigurierbarer Halbleiterplattformen, die eine breite Palette von Quantenarchitekturen unterstützen können, sobald diese ausgereift sind.

Genau darin unterscheidet sich die Rolle von GF im Quanten-Ökosystem grundlegend.

Die Strategie von GF basiert darauf, bestehende, bewährte Halbleiterplattformen zu nutzen und diese bei Bedarf zu erweitern, um den neuen Anforderungen der Quantenphysik gerecht zu werden. Dieser Ansatz reduziert Entwicklungsrisiken, Kosten und Zeitaufwand erheblich im Vergleich zur Entwicklung maßgeschneiderter, einmaliger Prozesse für jede einzelne Anwendungsdomäne. Außerdem ermöglicht er es den Quantenteams, ihre Roadmaps auf Technologien abzustützen, die sich bereits in der Massenfertigung bewährt haben.

Unabhängig von der jeweiligen Fertigungstechnik konvergieren Quantensysteme zunehmend auf gemeinsame Fertigungsanforderungen: strenge Prozesskontrolle, Materialhomogenität, Integration von Elektronik und Photonik, extrem rauscharme Schnittstellen sowie fortschrittliche Verpackungstechniken zur Kombination heterogener Komponenten. Diese Anforderungen decken sich direkt mit den Kernkompetenzen von GF als foundry.

GF vereint:

  • FD-SOI-Technologien wie 22FDX®, die von der Quantenforschungsgemeinschaft aktiv für hochintegrierte klassische Steuerungs-, Auslese- und System-on-Chip-Architekturen untersucht werden
  • Hochspannungs- und HF-fähige Plattformen, die Funktionen zur Stromversorgung, Signalerzeugung und -verstärkung ermöglichen, die mit zunehmender Skalierung von Quantensystemen immer wichtiger werden
  • Fortschrittliche heterogene Integration und Verpackung, die es ermöglicht, Quantenprozessoren, Steuerelektronik, Photonik und Verbindungsstrukturen zu serienreifen Lösungen auf Systemebene zu kombinieren
  • Silizium-Photonik-Plattformen auf 300-mm-Wafern, die eine skalierbare Grundlage für photonische Quantensysteme sowie optische Schnittstellen bilden
  • Entscheidend ist, dass GF Forschung und Entwicklung, Prototypenbau sowie die frühe Phase der Quantenentwicklung auf derselben industriellen Fertigungsinfrastruktur ermöglicht, die auch für die Serienproduktion genutzt wird. Diese Kontinuität hilft Entwicklern von Quantensystemen, kostspielige Übergänge zwischen Forschungs- und Produktionsanlagen zu vermeiden – eine Herausforderung, die in der Vergangenheit die Skalierbarkeit bei neuen Technologien eingeschränkt hat.

In dem Maße, wie sich die Quantencomputertechnik von der Experimentierphase hin zu einsatzfähigen Systemen entwickelt, wird die Herstellbarkeit zunehmend darüber entscheiden, welche Architekturen skalierbar sind und welche nicht. Durch seine Technologieunabhängigkeit und die Konzentration auf erweiterbare, reproduzierbare Fertigungsplattformen bietet GF eine stabile Grundlage für Innovationen in den Bereichen supraleitende, photonische, spinbasierte, atomare und hybride Quantenansätze.

In einem Umfeld, das von architektonischer Ungewissheit geprägt ist, aber durch die Notwendigkeit der Skalierung vereint wird, besteht die Rolle von GF nicht darin, Gewinner auszuwählen – sondern sie zu fördern.