Minus 30 Millikelvin: Neue Kryostate pushen Quantenforschung

Das Fraunhofer IPMS hat seine Testkapazitäten für Quantensysteme erweitert. Zwei neue Kryostate der Firmen Bluefors und Kiutra ermöglichen seit März Messungen bei extrem niedrigen Temperaturen für stabilere Qubits.

Das Center Nanoelectronic Technologies (CNT) am Fraunhofer IPMS verfügt seit kurzem über neue Kryostate für die Forschung an Qubits und der Qualifizierung von Supraleiter-Systemen. Die Tieftemperatur-Messgeräte, die vor allem für die Analyse von Quantensystemen nützlich sind, sind seit März vollständig in Betrieb. Die Bereitstellung der Anlagen wurde vom Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) gefördert.

Ob in der Medizin, der Materialentwicklung oder der Verkehrsplanung – dem Quantencomputing sollen zukünftig zentrale Aufgaben in der Forschung zukommen. Qubits, die Speicherkomponenten für die Entwicklung von komplexen quantenmechanischen Systemen, erweisen sich trotz ihrer Vielseitigkeit als fragil und fehleranfällig. Supraleitende Chips- oder Schaltkreise stabilisieren die fragilen Qubit-Zustände, müssen dafür aber bis in den Millikelvin-Bereich heruntergekühlt werden.

Um schlussendlich ein komplexes System wie einen Quantencomputer zu realisieren, müssen auch alle weiteren technischen Komponenten, wie Schaltkreise, Speicherchips oder Komponenten zur thermischen Isolation unter diesen Temperaturen funktionieren. Die Kryostate am CNT ermöglichen es, unterschiedlichste Strukturen, Materialien und Schaltkreise unter diesen enorm kalten Bedingungen zu testen.

Kälter, effizienter und erweiterbar – Neue Anlagen bieten beste Testbedingungen

Der Kryostat ”SD dilution refrigerator system“ (kurz SD-Kryostat) vom finnischen Unternehmen Bluefors bietet in Bezug auf den aktuellen Bestand am Fraunhofer IPMS vor allem Vorteile durch seine Vielseitigkeit und die Optionen zur Erweiterung. So ist es möglich, elektrische Leitungen passend zu den jeweiligen Anforderungen nachzurüsten und auch zusätzliche Komponenten zur Signalerzeugung oder -aufbereitung auf wärmeren Kühlstufen zu installieren. Der SD-Kryostat wird zur CMOS- oder Memory-Technologieentwicklung eingesetzt, um stabile digitale Schaltungen und Systeme zu schaffen, welche unter extremen Bedingungen funktionieren können. Diese sind Teil der laufenden Forschungsprojekte »ARCTIC« und »QSolid« am Fraunhofer IPMS. Darüber hinaus sollen auch Systeme getestet werden, bei welchen sich die einzelnen Teilkomponenten in verschiedenen Temperaturbereichen befinden, wie beispielsweise Interposern, ebenfalls ein Ziel im Projekt »QSolid«.

Der „L-Type Rapid“ Kryostat vom Münchner Unternehmen Kiutra verfügt über eine Art Aufzug, mit dem die Proben in die Probenkammer geladen werden, wodurch nicht das gesamte System, sondern nur die Proben selbst abgekühlt werden müssen. Durch die verkürzte Abkühl- und Aufwärmdauer der Probekammer, wird ein erhöhter Durchsatz an zu analysierenden Proben erreicht. Der Kryostat kann außerdem ein starkes Magnetfeld erzeugen, wie es auch in einigen Quantencomputern vorherrscht. Er verzichtet bei der Kühlung auf das übliche Helium-Gemisch und erreicht die extrem niedrigen Temperaturen im Millikelvin-Bereich einzig durch die Verwendung von Helium-4 und der Entladung von mehreren Magneten, um noch tiefere Temperaturen zu erreichen. Durch diese alternativen Verfahrensweisen werden Kosten eingegrenzt und Testprozesse können effektiver und schneller durchgeführt werden. Der L-Type Rapid findet so vor allem Anwendung in der Charakterisierung von Dünnschichten und supraleitenden Resonatoren für die Auslese von Qubits.

Bisher konnten Proben am CNT bis auf 1,7 K heruntergekühlt werden. Die neuen Systeme erweitern nun den Messbereich bis auf 30mK herab. Bei diesen Temperaturen arbeiten auch die Qubit- und Kontroll-Chips etablierter Quantencomputer-Konzepte. Die Prozessentwicklung der erforderlichen Komponenten wie Supraleiter oder Kryo-Elektronik wird sich durch die Inbetriebnahme der neuen Tieftemperatur-Messgeräte immens beschleunigen. Forschung und Analyse, welche mit der Entwicklung von Quantenprozessoren untrennbar verbunden sind, um deren niedrige Fehlerraten und hohe Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, werden durch den Einsatz der neuen Geräte gefördert. Die neuen Kryostate erweitern die Messkapazitäten, die das CNT seinen Partnern in Förderprojekten oder als Direktdienstleistung anbieten kann. Das Ziel eines souveränen Quantencomputers mit sächsischen Wurzeln rückt dank der Förderung und dem Ehrgeiz der Forschenden immer näher.

(sp/Fraunhofer IPMS)