Quantencomputer: Integrationstechnologien für Kryo-Elektronik

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM sind dem Quantencomputer einen Schritt näher gekommen. Bisher sind die Strukturen, mit denen etwa Qubits auf Chips angesteuert und in Echtzeit ausgelesen werden können, noch größer als die Qubits selbst. Ein neu entwickelter Prozess soll dies nun ändern.

Ansteuerelektronik optimiert

Dank des neuen Verfahrens lässt sich die Anschlussdichte mit Indiumbumps im Vergleich zu bisherigen Lösungen verdoppeln. Mit dieser Technologie wollen die Berliner Forscher nun die Ansteuerelektronik optimieren. Zusätzlich haben sie ein Kryomesslabor eingerichtet, mit dem sich die Leistungsfähigkeit der Elektronikaufbauten testen lässt.

Um Qubits auslesen und manipulieren zu können, bedarf es einer elektrischen Schaltung, die eine möglichst hohe Anschlussdichte besitzt. Außerdem muss sie thermisch entkoppelt sein, damit durch ihre Eigenerwärmung im Betrieb die gekühlten Qubits ihre Verschränkung nicht verlieren. Die sogenannte Quantenüberlegenheit wird erst mit hohen Qubit-Zahlen erreicht, man geht derzeit von 100.000 oder sogar einer Million Qubits aus.

Verlustarme Schaltungsträger

Die erreichbare Qubit-Dichte auf einem Chip ist in vielen Fällen durch die Kontaktdichte limitiert. Beim Anschluss-Rastermaß, dem sogenannten Pitch, konnte mit derzeitigen Technologien seit Jahren der Wert von 15 Mikrometern nicht unterschritten werden. Den Experten ist es nun gelungen, durch die galvanische Abscheidung von Indium einen Pitch von weniger als 7,5 Mikrometern zu realisieren.

Bei erforderlichen Umgebungstemperaturen von 20 Milli-Kelvin im Betrieb muss die Eigenerwärmung der elektrischen Leitungen extrem niedrig sein. Dafür sind supraleitende Materialien bestens geeignet. Den Fachleuten ist die Abscheidung und Strukturierung von supraleitendem Niob und Nioblegierungen gelungen, die für die Verdrahtung von Schaltungsträgern in mehreren Lagen, sogenannte Interposer, mit Durchkontaktierungen verwendet werden.

Das Ergebnis sind äußerst verlustarme Schaltungsträger, mit denen sich Qubit-Arrays in Echtzeit ansteuern und zu hochdichten, skalierbaren Systemen für Quantenrechner integrieren lassen. Um diese Technologiebasis zu schaffen, Materialien zu untersuchen, Integrationskonzepte zu optimieren und supraleitende Aufbau- und Verbindungstechnik für kryogene Anwendungen zu entwickeln, wurde am Fraunhofer IZM in Berlin das Kryomesslabor eingerichtet.

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