Verbundprojekt: Hochintegrierte und skalierbare lnterfaceschaltungen für Quantenprozessoren (HIQuP); Teilvorhaben: Simulation und Design von Quantenelektronik und Quantenprozessoren (SiDQuP)

Abstract

Heutige Quantencomputing-Demonstratoren besitzen einen Schaltkreis mit einigen Qubits. Dieser Schaltkreis wird gekühlt und alle elektrischen Verbindungen werden mittels einer sehr aufwendigen Verkabelung aus dem Kryostaten bis zur Raumtemperatur geführt. Eine gekühlte Ansteuerelektronik kommt bisher nicht zum Einsatz. Gekühlte Halbleiterschaltungen besitzen entweder ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis oder eine zu große elektrische Verlustleistung.

Es gibt drei wesentliche Ergebnisse. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass man mittels AQFP Schaltungen eine technische Möglichkeit hat, komplexe Elektronikschaltungen bei Temperaturen unterhalb von 100 mK zu betreiben. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Betrieb der Schaltungen die Funktion des Qubits nicht beeinträchtigt. Und als drittes wesentliches Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die Schaltfunktion auch bei Taktfrequenzen von 2 GHz noch stabil sichergestellt werden kann.

Zum Halbzeitmeilenstein wurde der Nachweis der Funktion bei 4K und mit Frequenzen von 100 kHz erbracht. Zum Projektende wurde eine minimale Temperatur von 80mK mit einer Frequenz von 2 GHz bei einer Fehlerrate BER<10-15 erreicht. Die entwickelten Schaltungen bieten ein einmalig gutes Energy-Delay-Product (EDP) von 2 aJ x ps (15 zJ x 125 ps). Dieser Wert ist etwa 10.000-fach kleiner als es moderne Halbleitertechnologien bieten.

Damit ist nachgewiesen, dass die hybride Multi-Chip-Integration, aber zukünftig auch die monolithische Integration von Qubit Prozessoren und AQFP-Ansteuerschaltungen technisch möglich ist. Damit wird erstmals ein deutlicher Fortschritt in der Skalierung der heutigen Quantencomputer möglich.