In einer in Nature Electronics veröffentlichten neuen Arbeit haben Forscher in Finnland eine Schaltung entwickelt, die hochwertige Mikrowellensignale erzeugt, die für die Steuerung von Quantencomputern erforderlich sind, während sie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben wird. Dies ist ein wichtiger Schritt für die Annäherung des Steuersystems an den Quantenprozessor, und könnte ermöglichen, die Anzahl von Qubits in dem Prozessor zu erhöhen.
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Artistic impression of an on-chip microwave source controlling qubits. Credit: Aleksandr Kakinen.
Einer der Faktoren, der die Größe von Quantencomputern bestimmt, ist der Mechanismus, der verwendet wird, um die Qubits in Quantenprozessoren zu steuern. Dies wird in der Regel durch den Einsatz einer Reihe von Mikrowellenimpulsen erzielt und, da Quantenprozessoren bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben werden, werden die Steuerimpulse normalerweise über Breitbandkabel von der Raumtemperatur in die gekühlte Umgebung eingeführt.
Mit zunehmenden Qubits müssen auch mehr Kabel verwendet werden. Dies begrenzt die potentielle Größe eines Quantenprozessors, da Kühlgeräte, welche die Qubits kühlen, größer angelegt werden müssten, um mehr und mehr Kabel unterzubringen, während sie zudem mehr leisten müssen, um diese zu kühlen – letztendlich ein Verlustgeschäft.
Ein Forschungskonsortium, welches die Aalto-Universität, das Technische Forschungszentrum Finnland VTT und IQM Quantum Computers umfasst, hat nun eine Schlüsselkomponente für die Lösung dieser schwierigen Frage entwickelt. „Wir haben eine präzise Mikrowellenquelle für die gleiche extrem niedrige Temperatur wie für Quantenprozessoren von etwa -273 Grad gebaut“, so der Teamleiter Mikko Möttönen, Professor an der Aalto-Universität und am Technischen Forschungszentrum Finnland VTT sowie Mitbegründer und Chief Scientist bei IQM.
Die neue Mikrowellenquelle ist eine On-Chip-Vorrichtung, die in einen Quantenprozessor integriert werden kann. Durch ihre Größe von weniger als einem Millimeter ist es nicht mehr notwendig, Hochfrequenz-Steuerkabel für unterschiedliche Temperaturen anzuschließen. Mit dieser Mikrowellenquelle mit geringem Energiebedarf können kleinere Kryostate verwendet werden, während gleichzeitig die Zahl der Qubits in einem Prozessor erhöht werden.
„Unser Gerät erzeugt hundertmal mehr Leistung als Vorgängerversionen, was ausreicht, um Qubits zu steuern und Quantenlogikoperationen auszuführen“, sagt Möttönen. „Es generiert sehr präzise Sinuswellen, die über eine Milliarde Mal pro Sekunde schwingen. Folglich treten Fehler in Qubits aus der Mikrowellenquelle sehr selten auf, was wichtig ist, wenn präzise Quantenlogikoperationen implementiert werden.“
Eine Mikrowellenquelle, die kontinuierliche Wellen ausgibt, wie sie von dieser Vorrichtung erzeugt werden, kann jedoch nicht, so wie sie ist, zur Steuerung von Qubits verwendet werden. Zuerst müssen die Mikrowellen in Impulse umgeformt werden. Das Team arbeitet derzeit an der Entwicklung von Verfahren zum schnellen Ein- und Ausschalten der Mikrowellenquelle.
Selbst ohne eine Schaltlösung zur Erzeugung von Impulsen könnte eine effiziente, rauscharme Niedertemperatur-Mikrowellenquelle in einer weiten Reihe von Quantentechnologien, wie etwa Quantensensoren, nützlich sein.
„Neben Quantencomputern und -sensoren kann die Mikrowellenquelle auch als Taktgeber für andere elektronische Geräte dienen. Sie kann verschiedene Geräte im gleichen Rhythmus halten und ihnen ermöglichen, Operationen für mehrere verschiedene Qubits zum gewünschten Zeitpunkt einzuleiten“, erklärt Möttönen.
Die theoretische Analyse und das anfängliche Design wurden von Juha Hassel und anderen Mitwirkenden am VTT ausgeführt. Hassel, der diese Arbeit am VTT begann, ist aktuell der Leiter für Technik und Entwicklung bei IQM Quantum Computers, dem europäischen Marktführer für Quantencomputer. Die Vorrichtung wurde anschließend am VTT gebaut und vom promovierten Forscher Chengyu Yan und seinen Kollegen an der Aalto-Universität unter Einsatz der OtaNano-Forschungsinfrastruktur betrieben. Yan ist gegenwärtig als außerordentlicher Professor and der Universität für Wissenschaft und Technik Zentralchina in China tätig. Die an dieser Forschung beteiligten Teams sind Teil der Academy of Finland Centre of Excellence in Quantum Technology (QTF) und des Finnish Quantum Institute (InstituteQ).
Original-Forschungsunterlagen
Chengyu Yan, Juha Hassel, Visa Vesterinen, Jinli Zhang, Joni Ikonen, Leif Grönberg, Jan Goetz and Mikko Möttönen, A low-noise on-chip coherent microwave source, Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-021-00680-z (2021)
https://doi.org/10.1038/s41928-021-00680-z (Link aufrufbar, nachdem er entsperrt wurde)
Vordruck jederzeit verfügbar unter: https://arxiv.org/pdf/2103.07617
Weitere Bilder in der Materialbank: https://materialbank.aalto.fi/l/sjcg87sHxFfR
Über IQM Quantum Computers
IQM ist der europäische Marktführer für Quantencomputer.
IQM stellt Quantencomputer vor Ort für Forschungslabore und Supercomputing-Rechenzentren bereit und bietet einen vollständigen Zugang zu seiner Hardware. Für Industriekunden liefert IQM Quantenvorteile durch einen einzigartigen anwendungsspezifischen Co-Design-Ansatz.
IQM baut den ersten finnischen kommerziellen Quantencomputer mit 54 Qubits mit dem VTT und ein Konsortium (Q-Exa) unter der Leitung von IQM baut Deutschlands Quantencomputer, der in einen HPC-Supercomputer integriert wird, um so eine bessere Zukunft für die wissenschaftliche Forschung zu schaffen. IQM unterhält Büros in Bilbao, München und Espoo und beschäftigt über 130 Mitarbeiter. Weitere Informationen: www.meetiqm.com
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