Supraleitender quantengenauer GHz-Arbiträrwellengenerator zur Qubit-Ansteuerung; im Verbundvorhaben: Qubits Control by Microwave Integrated Circuits (QuMIC)

Abstract

Dieser Bericht fasst die Ergebnisse zusammen, die im Rahmen des vom BMBF (jetzt BMFTR) geförderten Teilvorhabens "Supraleitender quantengenauer GHz-Arbiträrwellengenerator zur Qubit-Ansteuerung" (FKZ 13N15934) im Verbundvorhaben "Qubits Control by Microwave Integrated Circuits (QuMIC)" erreicht wurden. Dieses Teilvorhaben wurde mit einer kostenneutralen Laufzeitverlängerung im Zeitraum vom 1. Oktober 2021 bis 30. Juni 2025 im Fachbereich 2.4 "Quantenelektronik" an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig bearbeitet. Als Kooperationspartner waren an dem Verbundvorhaben die Infineon Technologies AG, die Leibniz Universität Hannover, die supracon AG in Jena und das Institut für CMOS-Design der Technischen Universität Braunschweig beteiligt. Die Kooperation und Zusammenarbeit war wegen der Entwicklung der Komponenten für ein gemeinsames Multi-Chip-Modul phasenweise sehr intensiv und verlief reibungslos und erfolgreich. Supraleitende Qubit-Systeme werden aktuell üblicherweise mit gepulsten Hochfrequenz-Signalen betrieben, die bei Raumtemperatur erzeugt und über geeignete Hochfrequenz-Koaxialleitungen übertragen werden. Neben einem starken Wärmeeintrag in den Kryostaten liegt eine weitere Herausforderung für den Einsatz von supraleitenden Qubits bei ~10 mK in der Unterdrückung von unerwünschten Rauschsignalen und Störungen von der Raumtemperaturelektronik, was durch starke Abschwächung der Signale erreicht wird. Diese Schwierigkeiten lassen sich mit rauscharmer Hochfrequenzelektronik bei tiefen Temperaturen deutlich reduzieren. Hier bieten sich neben kalten CMOS-Schaltungen insbesondere supraleitende Systeme wie der pulsgetriebene Josephson-Arbiträrwellengenerator (JAWS) an, der Vorteile wie die extrem rauscharme Erzeugung von quantengenauen freiprogrammierbaren Wellenformen im Zeit- und Frequenzbereich bietet. Als Gesamtziel des Vorhabens sollten gemeinsam neuartige Instrumente auf Basis hybrider Integration neuartiger hochintegrierter BiCMOS Chips mit Quantenelektronik (Ionenfallen- und Supraleitungschips) hin zu kompakten Multi-Chip-Modulen entwickelt werden. Die Forschungsarbeiten wurden anhand von zwei unterschiedlichen Anwendungsszenarien durchgeführt. Dieses Teilvorhaben hatte zum Ziel, die Supraleitungselektronik für die perspektivische Ansteuerung supraleitender Quantengatter mit quantengenauen, spektral reinen und damit auch rauschfreien Hochfrequenzsignalen im GHz-Frequenzbereich zu erforschen und aufzubauen. Die Arbeiten hierzu verliefen erfolgreich. Schwerpunkt der Forschungsarbeiten an der PTB war die Entwicklung neuartiger JAWS-Schaltungen für die Erzeugung von Hochfrequenzsignalen im GHz-Bereich, sogenannter RF-JAWS-Schaltungen. Diese Entwicklung fand in vier Generationen statt, einer mehr als ursprünglich geplant. Die beiden ersten Generationen wurden dabei hochfrequenzmäßig als "lumped-element"-Schaltung mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau aber auch stark limitierter Länge realisiert, wodurch die Zahl der JJs auf maximal etwa 150 JJs begrenzt ist, was auch die Ausgangsspannung der Schaltungen stark limitiert. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden zwei weitere Generationen von ausgedehnten Schaltungen mit HF-Filtern in einer Diplexer-Struktur entwickelt und hergestellt. Nach Fertigstellung von Design und Layout der vier Schaltungsgenerationen wurden jeweils mehrere Wafer in Niob-Technologie an der PTB hergestellt. Die Herstellungstechnologie für JAWS-Schaltungen wurde außerdem für höhere charakteristische Frequenzen weiterentwickelt, so dass sie einen weiten Bereich von Eingangsdatenraten von 30 Gbps bis 120 Gbps überdecken und somit für den Betrieb mit BiCMOS-Schaltungen von Projektpartnern geeignet sind. Von allen hergestellten Wafern wurden verschiedene Schaltungen intensiv messtechnisch charakterisiert und untersucht. Im Pulsbetrieb konnten mit "lumped-element"-Schaltungen Signale mit sehr sauberen Frequenzspektren im Bereich von 1 GHz bis 10 GHz synthetisiert werden, sowohl einfache Sinuswellen als auch Signale aus mehreren Sinuswellen. In genaueren Untersuchungen wurde deutlich, dass unerwünschte Beiträge die erzeugten Signale verfälschen können; hierzu zählen insbesondere die "Feedthrough"-Beiträge, d.h. die Beimischung von Anteilen des Pulssignals zur Ansteuerung der JAWS-Schaltung zu dem von der Schaltung erzeugten Signal, die ebenfalls über den Hochfrequenz-Ausgang übertragen werden. Verschiedene Ansätze zur Reduzierung bzw. Vermeidung dieser Beiträge wurden untersucht; so konnte durch eine optimierte Pulsansteuerung ("zero-compensation") der "Feedthrough"-Anteil deutlich reduziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die "Feedthrough"-Beiträge bei 1 GHz und 36 Josephsonkontakten 30 dB bis 40 dB kleiner als das synthetisierte Signal sind. Damit kann von einer quantengenauen Erzeugung von GHz Signalen gesprochen werden was das erste Hauptergebnisse dieses Teilvorhabens darstellt. Außerdem wurde das HF-Verhalten der Filterstrukturen der Diplexer-Schaltungen ausführlich untersucht. Hierbei zeigte sich eine gute Übereinstimmung der Messungen mit den Simulationen. In den Diplexer-Schaltungen reduzieren die HF-Filter die uner-wünschten Beiträge wirkungsvoll; über einen weiten Bereich der Amplitude der Eingangspulse ändert sich bei optimierter Pulsansteuerung die Spannung des erzeugten Signals nahezu nicht. Mit optoelektronischen Abtastverfahren die auf Femtosekundenlasern basieren und für Anwendungen bei 4 K neu erforscht wurden, konnten erstmalig die elektrischen Signale einer JAWS-Schaltung und einer kyrogenen CMOS-Schaltung direkt im Zeitbereich detektiert werden. Dies stellt das zweite Hauptergebnis dieses Teilvorhabens dar und öffnet für die Zukunft vielfältige Anwendungen bzgl. der Optimierung kyrogener Hochfrequenzsignale. In gemeinsam mit Projektpartnern an der PTB durchgeführten Messungen konnten RF-JAWS-Schaltungen auch in einem Kleinkühler des Partners supracon erfolgreich betrieben werden. Außerdem konnten in einer Test-Anordnung des Multi-Chip-Moduls mit Multiplexer des Partners TU Braunschweig und RF-JAWS-Schaltung erstmals Stufen konstanter Spannung gezeigt werden, die mit Pulsfolgen eines kryogenen CMOS-Multiplexer bei 4,2 K erzeugt wurden (sowohl in einem Kleinkühler wie auch in Flüssighelium). Dies stellt das dritte Hauptergebnis dieses Teilvorhabens dar und ist unseres Wissens die erste direkte Kombination von kryogenen CMOS- und JAWS-Schaltungen. Bei der Realisierung eines kompakten, skalierbaren und quantengenauen GHz-Arbiträrwellengenerators zur Qubit-Ansteuerung mit einem vollständigen kryogenen CMOS-Pulsgenerator, ist die Entwicklung wesentlicher Komponenten somit erfolgreich gelungen.