Für Millionen Qubits: Forscher vereinfachen supraleitende Quantencomputer
Bei Quantencomputern wirken wichtige Entwicklungen oft recht unscheinbar. Das gilt auch für den Mikrowellengenerator, den Forscher der Tsinghua-Universität in Beijing sowie des chinesischen Nationallabors in Hefei im Fachmagazin Nature Communications vorgestellt haben(öffnet im neuen Fenster) . Er verlagert allerdings eine wichtige Komponente in die Kühlkammer für einen supraleitenden Quantenprozessor.
Die Interaktion mit den Qubits erfolgt hier über speziell geformte Mikrowellenimpulse ( Hintergrundartikel, g+ ). Die werden bislang außerhalb der Kühlkammer erzeugt und über Koaxialkabel hineingeleitet. Das führt aber zu praktischen Problemen: Je mehr Qubits ein Quantenprozessor nutzen kann, desto mehr Signale sind erforderlich. Das bedeutet entweder mehr Kabel oder das Zeitmultiplexing von Signalen. Zusätzliche Kabel brauchen nicht nur Platz, jedes Kabel wärmt zudem die Kühlkammer und erhöht damit den Kühlaufwand.
Ziel verschiedener Forschergruppen ist es daher, die benötigten Signale möglichst direkt auf dem Quantenprozessor zu erzeugen - mit wenig Ansteuerungsaufwand. Genau das haben die chinesischen Forscher erreicht: Ihr Generator benötigt nur ein einfaches Signal, das einem Digitalsignal ähnelt. Nach Aussage der Forscher genügt zu dessen Übertragung ein einfaches Twisted-Pair-Kabel, das nicht nur günstiger ist als ein Koaxialkabel, sondern auch weniger Wärme in die Kühlkammer einbringen soll.
Magnetfeld erzeugt Mikrowellen
Möglich ist das, da der vorgestellte Mikrowellengenerator mit verhältnismäßig einfachen Steuersignalen arbeitet. Er besteht aus einem koplanaren Wellenleiterresonator(öffnet im neuen Fenster) , in den ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät(öffnet im neuen Fenster) (superconducting quantum interference device, Squid) integriert ist. Das reagiert auf ein Magnetfeld, wodurch sich die Induktivität des Resonators und damit dessen Resonanzfrequenz ändert.
Wird das Magnetfeld schnell genug verändert, entstehen Mikrowellenphotonen, deren Frequenz, Phase und Intensität über Dichte, Intensität und Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses(öffnet im neuen Fenster) bestimmt werden. Erzeugt wird das Magnetfeld durch eine Spule neben dem Resonator, der mit einfachen Wellenformen angesteuert werden kann. In der Veröffentlichung zeigen die Forscher Ergebnisse für eine Sprungfunktion. Der Resonator funktioniere dabei auch mit verzerrten Signalen noch gut, weshalb eine Steuerleitung mit geringer Bandbreite ausreiche, schreiben sie.
Die erzeugten Mikrowellenphotonen eignen sich laut den Forschern aufgrund großer Phasenkohärenz sehr gut für die Interaktion mit Qubits. Zudem lassen sich die Signale mehrerer Generatoren überlagern, um komplexere Wellenformen zu erzeugen.
Gefertigt haben die Forscher die Komponenten aus einem auf ein Sapphirsubstrat aufgebrachten Aluminiumfilm. Sie weisen darauf hin, dass für die korrekte Funktion des Generators eine genaue Fertigung des aus zwei verschiedenen Josephson-Kontakten bestehenden Squids wichtig ist.