Ein Quantenchip, der bei Raumtemperatur arbeitet: Die photonische Revolution beginnt mit Glas

1. Prolog: Der Aufbruch des Quantenzeitalters im gläsernen Morgengrauen

Quantencomputer werden seit langem als "revolutionäre Rechenmaschinen" bezeichnet. Doch bestehende Plattformen wie Supraleiter und Ionenfallen erfordern extrem tiefe Temperaturen und komplexe Vakuumsysteme, was die Kosten für die praktische Anwendung in die Höhe treibt.

Im Juli 2025 jedoch präsentierte ein EU-Forschungsteam mit Sitz in Mailand, Italien, einen Photonen-Quantenchip, der die Situation grundlegend veränderte. Dieser Chip verwendet die Laserschreibtechnik, um Lichtwellenleiter direkt auf ein Glassubstrat zu schreiben. Die Quantenbits (Qubits) werden nicht von Elektronen oder Ionen, sondern von **Photonen** getragen. Diese arbeiten bei Raumtemperatur, übertragen Signale mit Lichtgeschwindigkeit und haben erheblich geringere Energieverluste. Ein wahrer Durchbruch, der den "Aufbruch" ankündigt.phys.org

2. Was ist das QLASS-Projekt?

Der Vorreiter dieses Durchbruchs ist das QLASS (Quantum Glass-based Photonic Integrated Circuits)-Projekt, das von der Politecnico di Milano (PoliMi) geleitet wird. Elf Forschungseinrichtungen aus Italien, Frankreich und Deutschland, darunter Universitäten, Institute und Start-ups, haben sich zusammengeschlossen. Das Projekt gewann an Aufmerksamkeit, nachdem das EU Research & Innovation Magazine "Horizon" ausführlich darüber berichtete. Das Ziel ist einfach: Bis 2026 einen rekonfigurierbaren photonischen Quantenprozessor mit über 200 Modi auf Glasbasis zu realisieren.phys.org

Das Kernunternehmen ist das italienische Start-up Ephos. Das Unternehmen hat 8,5 Millionen Dollar von NATO DIANA und westlichen VC gesammelt und kürzlich die weltweit erste Fabrik für Glas-Quantenchips in der Nähe von Mailand eröffnet.reuters.com Der CEO Andrea Rocchetto erklärt: "Glas ist das beste Material, um Photonen zu halten". Im Vergleich zu Silizium hat Glas weniger als ein Zehntel der optischen Verluste und benötigt aufgrund der Raumtemperatur keine Kühlgeräte, was den Stromverbrauch erheblich senkt.

3. Kerntechnologie: Femtosekunden-Laserschreiben

Die einzigartige Technologie von Ephos besteht darin, Femtosekunden (10⁻¹⁵ Sekunden) Laser zu verwenden, um dreidimensionale Wellenleiter direkt in Glas zu schreiben. Dabei wird ein Titan-Saphir-Laser eingesetzt, um den Brechungsindex lokal zu modulieren und nanoskalige "Lichtwege" zu gravieren, die das Licht einschließen. Während herkömmliche Siliziumphotonik auf zweidimensionale Verdrahtung beschränkt ist, ermöglicht Glas auch dreidimensionale Verdrahtung mit freien Kurven in vertikaler Richtung. Theoretisch kann dadurch eine Skalierung von 200 Modi→400 Modi nur durch Änderung der Maske erreicht werden.phys.org

In Kombination mit dem von der deutschen Pixel Photonics bereitgestellten SNSPD (Superconducting Nanowire Single-Photon Detector) wird ein verlustfreier Nachweis einzelner Photonen angestrebt. Darüber hinaus entwickelt die französische Unitary Foundation France ein Open-Source-Quantum-SDK, während die Universität Montpellier an der Quantensimulation von Lithium-Ionen-Batterien arbeitet. Diese Arbeitsteilung ist ein Abbild der "europäischen Selbstversorgung in der Lieferkette", wie sie im EU Chips Act gefordert wird.phys.org

4. Warum Glas? – Vorteile in Bezug auf Umwelt und Kosten

• Energieeinsparung: Da der Betrieb bei Raumtemperatur erfolgt, sind keine teuren Kühlgeräte erforderlich, die bei supraleitenden Chips notwendig sind und jährliche Stromkosten von über 10 Millionen Yen verursachen.

• Niedriger CO₂-Ausstoß: Die Glasherstellung kann die CO₂-Emissionen im Vergleich zur Siliziumvorstufe um 75 % reduzieren.wsj.com

• Ausbeute: Da das Laserschreiben direkt erfolgt, wird der Fotolithografie-Prozess erheblich reduziert, was die Defektrate senkt.

• Kosten: Laut Ephos betragen die Herstellungskosten pro 12-Zoll-Äquivalent-Substrat ein Drittel der Kosten von Siliziumphotonik.

Darüber hinaus sind Photonen bei Raumtemperatur weniger anfällig für Dekohärenz, was den Overhead für Fehlerkorrektur um über 20 % reduzieren kann. Obwohl sich das Projekt noch in der Forschungsphase befindet, sind die Materialien vorhanden, um den Weg zur praktischen Quantenüberlegenheit (dem Punkt, an dem Quantencomputer die schnellsten klassischen Maschinen übertreffen) zu ebnen.

5. Industrielle Anwendungen: Von der Batterieentwicklung bis zur Beschleunigung von KI-Inferenzen

1. Simulation der nächsten Generation von Batterien
   Die Universität Montpellier verwendet Variationsquantumalgorithmen (VQA), um die Lithiumdiffusionswege zu lösen und die Elektrolyte zu optimieren. Berichten zufolge wurde eine 30-fache Beschleunigung im Vergleich zu klassischen Methoden mit einem im Labor implementierten 50-Modus-Photonikchip bestätigt (laut einem nicht veröffentlichten Preprint).

2. Arzneimittelentwicklung
   Durch die Nutzung von Einzelphotoneninterferenzen zur Hamiltonian-Kodierung wird die Konformationsenergie von potenziellen Krebsmolekülen mit picochemischer Präzision berechnet.

3. KI-Beschleuniger
   Mathematische Optimierung (QAOA) und lineare Algebra (HHL-Algorithmus) sind laut Schätzungen 100-mal energieeffizienter als GPUs. Dies steht in direktem Zusammenhang mit der Dekarbonisierung von Rechenzentren.wsj.com

6. Der "Quanten-Glas-Wirbel" in den sozialen Medien

“Das QLASS-Projekt hat gerade 6 Millionen Euro von der EU erhalten, um photonische Quantenchips aus Glas voranzutreiben. Europa spielt endlich seine Stärken aus! 🌍💡” ― The Quantum Insider@QuantumDaily (X)twitter.com

“Politecnico di Milano koordiniert #QLASS, um die Quanten-Eigenschaften von Photonen zu nutzen. Stolz, Teil dieser Reise zu sein!” ― Politecnico di Milano offizieller Account (X)twitter.com

“Sviluppare un pc quantistico che funziona a temperatura ambiente: obiettivo QLASS.” (Ein Quanten-PC, der bei Raumtemperatur arbeitet, das ist das Ziel von QLASS) ― ANSA Scienza&Tecnica (X)twitter.com

“Das von der NATO unterstützte Ephos sammelt 8,5 Millionen Dollar, um die weltweit erste Glas-basierte photonische Quantenfabrik zu bauen. Das Rennen wird heller!” ― Quantum Insider@QuantumDaily (X)twitter.com

In den sozialen Medien werden Diskussionen unter Hashtags wie "#PhotonicChips", "#ClimateTech" und "#DeepTechEU" lebhaft geführt. Besonders die jüngere Generation, die Wert auf Dekarbonisierung legt, äußert sich positiv mit Kommentaren wie "Keine Kühlgeräte sind genial" und "Das Zeitalter der ökologischen Quanten ist da". Allerdings gibt es auch Bedenken, dass "Glas zerbrechlich sein könnte".

7. Herausforderungen: Skalierung und Standardisierung

Die größte Hürde ist die "Massenproduktion von Einzelphotonenquellen und Detektoren". Da SNSPDs derzeit noch kryogene Umgebungen benötigen, ist die Entwicklung von SNSPDs für den Betrieb bei Raumtemperatur eine dringende Aufgabe. Zudem erfordert die Quantenanwendung eine enge Verbindung zwischen der Algorithmus- und der Hardwareebene. Verzögert sich die Standardisierung der Software-APIs, könnte das Ökosystem fragmentiert werden. Die EU hat das Ziel, bis 2030 20 % der Quantenchip-Lieferungen innerhalb der Region zu beziehen, was die gleichzeitige Nutzung von Open Source und Patentpools unerlässlich macht.phys.org

8. Zukunftsausblick: Photonik × Grün × Europäische Führung

Da der EU Chips Act nun auch den Quantenbereich umfasst, wird die photonische Quantenforschung zu einem Trumpf, der gleichzeitig die geopolitischen Agenden der "Dekarbonisierung" und der "Unabhängigkeit der Lieferkette" erfüllt.

Sollte QLASS bis 2026 ein 200-Qubit-Demonstrationsgerät fertigstellen, könnte Europas erster quantenbeschleunigter Supercomputer (unter der Leitung von EuroHPC JU) in Mailand installiert werden. Die Roadmap, die innerhalb von fünf Jahren nach Fertigstellung 1.000 Qubits und innerhalb von zehn Jahren 1 Million Qubits anstrebt, beginnt, die bestehenden supraleitenden Kräfte ins Schwitzen zu bringen.

9. Epilog: Das Quantenuniversum im Glas

Wie das Silizium in den 1960er Jahren die Elektronik dominierte, könnten Licht und Glas in den späten 2020er Jahren die Grundlage der Quanteninformationsverarbeitung werden.“Cracking the quantum code” – dieser Slogan ist keineswegs übertrieben. Das schwache Licht, das in einem Glasstück eingeschlossen ist, wird allmählich zum Schlüssel zur Lösung der großen Rechenprobleme der Menschheit.Die Zukunft der Quanten strahlt leise in klarem Glas.