Aktuell werden verschiedene Architekturen von Quantenprozessoren zur Realisierung von Quantencomputern international erforscht: von gespeicherten Ionen, über supraleitende Resonatoren bis hin zu Fehlstellen in Kristallstrukturen. Diese Ansätze konzentrieren sich meistens auf die Realisierung eines monolithischen Quantenprozessors in einer einzelnen Apparatur. Damit stellen sich aber langfristig mehrere Skalierbarkeitsprobleme: von der Standardisierung von Schnittstellen, über die Miniaturisierung und Automatisierung in der Fertigung, bis hin zur Realisierung von Quantenprozessornetzwerken. 

Das OptoQuant-Projekt nimmt sich dieser Probleme an und 

• erarbeitet die Grundlagen für eine zukünftige Standardisierung von Ionenfallen-Prozessoren um die Entwicklung und das Testen von Prozessoren durch unterschiedliche Anwender zu vereinheitlichen und zu beschleunigen, 
• erforscht und realisiert Ionenfallen mit integrierter Optik auf Basis moderner Halbleiter-Fertigungsprozesse, um Ionenfallen mit garantiert hoher Qualität auf lange Sicht einer Massenfertigung zuführen zu können, und 
• legt dabei die Grundlagen für Netzwerke von Quantencomputern sowie Quantenkommunikation basierend auf Ionenfallen. 

Aktuelle Forschungsbestrebungen in anderen Forschungsgruppen verfolgen und erweitern die Fähigkeiten von Ionenfallen-basierten Prozessoren von einer auf mehrere Prozessorzonen um parallel Quantenoperationen auszuführen. Zusätzlich werden erste optische Elemente in Ionenfallen integriert: basierend auf der weitverbreiteten CMOS-Technologie werden Fallen entwickelt, und optische Wellenleiter direkt in die Substrate integriert. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass die mit dieser Fertigung kompatiblen Materialien das, für viele Ionenspezies benötigte, ultraviolette Licht stark absorbieren, was die Skalierbarkeit einschränkt. Die Architektur von OptoQuant erforscht und erweitert fortschrittliche Methoden aus der Halbleiterfertigung mit Mehrschichtproduktionsverfahren. Dies erlaubt die Verwendung von Quarzglas, welches bis weit in den UV Bereich transparent ist was das beschriebene Absorbtionsproblem löst. Zusätzlich werden in das Quarzglas mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen direkt Wellenleiter “geschrieben”, mit dem Ziel diese sowohl einmodig als auch polarisationserhaltend zu realisieren – was bisher mit diesen Materialien noch nicht demonstriert wurde. 

Ein erster Meilenstein des Projekts ist die Realisierung von einmodigen und polarisationserhaltenden Wellenleitern in UV-kompatiblen Substraten. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden die ersten Ionenfallen produziert die einerseits kompatibel mit industrieller Fertigung sind und andererseits mit Hilfe der integrierten Wellenleiter mehrere Prozessorzonen ermöglicht. Diese Fertigungsmethoden werden einem aktuell noch nicht existierenden Standardisierungsprozess zugeführt, der die Lieferkette von kompatiblen Materialien, Montage und Qualitätskontrolle auf Basis standardisierter Schnittstellen bis zur Charakterisierung des Ionenfallenprozessors abdeckt.