SAB: Quantencomputer mittels Ionenfallen in Niob-basierter Technologie (Quinte)

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Als zentrale Schlüsseltechnologie ebnet die Quantencomputertechnologie den Weg für einen Durchbruch, der gerade erst seinen Anfang nimmt. Die Entwicklung und der Bau dieser Systeme bieten einen doppelten Mehrwert: Zum einen steigern sie Energie- und Zeiteffizienz um etwa eine Größenordnung – zum anderen sichern sie Arbeitsplätze, bauen den technologischen Vorsprung aus und schaffen so die Voraussetzungen für weitere Spitzenforschung. Beispielsweise sind Ionenfallen für den Forschungsstandort Sachsen von besonderem Interesse, da diese Technologie in Deutschland von einer Vielzahl von wissenschaftlichen Instituten, KMUs und der Industrie genutzt wird. Der Bau einer Ionenfalle erfordert den Einsatz von Supraleitern. Deren Herstellung erfordert hohe Prozesstemperaturen, während die Betriebstemperaturen mit nur 4 Kelvin knapp über dem absoluten Nullpunkt liegen. Die thermomechanische Zuverlässigkeit ist dabei eine Schlüsselkomponenten die allerdings bisher bei diesen niedrigen Betriebstemperaturen weitgehend unbekannt ist. Genau hier setzt das Projekt an. Anhand mehrdimensionaler Demonstrationsmodelle, die die für Ionenfallen unverzichtbaren supraleitenden Spulen darstellen und im Rahmen des Projekts konstruiert und anschließend thermomechanisch charakterisiert werden, sollen Erkenntnisse und Daten zur optimalen Auslegung, zur Minimierung innerer mechanischer Spannungen sowie zu ihrem bruchmechanischen Verhalten untersucht und simuliert werden. Neuartige Versuchsaufbauten ermöglichen Untersuchungen zur Materialsteifigkeit, Biegeversuchen und die Bestimmung der Haftfestigkeit im Temperaturbereich von 4 K bis zu mehreren 100 °C und tragen so zum wissenschaftlichen Verständnis bei. Die gewonnenen technologieabhängigen Materialdaten sind einzigartig und ermöglichen die Erstellung digitaler Zwillinge, die den Temperaturbereich von der Herstellung bis zum Einsatz der Mikrokomponenten abdecken, übertragbar sind und somit die Grundlage für eine neue Wertschöpfungskette bilden. Dies dürfte zu einer deutlichen Senkung der Ausfallraten und damit zu einer Steigerung der Nachhaltigkeit der Systeme führen.

Diese Maßnahme wird aus Mitteln der Europäischen Union unterstützt und mitfinanziert durch Steuermitteln auf der Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

Quantum computer technology is the key technology behind a revolution that is just beginning. The application of these systems promises increased energy and time efficiency (by a factor of about one order of magnitude), while the ability to develop and build these systems means technological leadership, secures jobs, and is the starting point for further top-level research. Ion traps are of particular interest to Saxony, as this technology is used in Germany by a large number of research institutions, SMEs, and industry. The construction of an ion trap requires the use of superconductors. Their manufacture requires high process temperatures, whereas the operating temperatures are just above absolute zero at 4K. The thermomechanical reliability of such key components at operating temperatures of 4K is largely unknown. This is where the project comes in. Using multidimensional demonstrators representing superconducting coils essential for ion traps, which are constructed and thermomechanically characterized in the project, insights and data on optimal design, the minimization of internal mechanical stresses, and their fracture mechanical behavior are to be investigated and simulated. Unique experimental setups will enable investigations of material stiffness, bending tests, and the determination of adhesive strength in the range from 4K up to several 100 °C, generating scientific understanding. The technology-dependent material data obtained is unique and allows the creation of digital twins that cover the temperature regime from manufacturing to the use of microcomponents, are transferable, and form the basis of a new value chain. This is expected to result in a significant reduction in failure rates and thus an increase in the sustainability of the systems.

This initiative is supported by funds from the European Union and co-financed by tax revenues in accordance with the budget approved by the Saxon State Parliament.