Rauscharme Hochfrequenzelektronik für Quantencomputer

29. April 2021

Dr. Fabian Thome und Felix Heinz vom Fraunhofer IAF forschen gemeinsam im EU-geförderten Kooperationsprojekt »SEQUENCE« daran, kryogene Hochfrequenzelektronik für bestehende Quantencomputerkonzepte zu entwickeln. Denn nur mittels kompakter und extrem rauscharmer Elektronik wird es möglich sein, bestehende Quantencomputerkonzepte weiter zu skalieren.

© Fraunhofer IAF
Dr. Fabian Thome hat am Fraunhofer IAF über das Thema »Drahtlose Low-Power- Datenübertragungssysteme mit hoher Datenrate« promoviert. Zurzeit forscht er im Bereich der ultra-rauscharmen Verstärker und leitet das Kooperationsprojekt »SEQUENCE« seitens des IAF.
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Felix Heinz promoviert am Fraunhofer IAF im Bereich der Mikrosystemtechnik über ultrarauscharme Verstärker und forscht im Projekt »SEQUENCE« an der Charakterisierung und Modellierung kryogener Nanoelektronik.
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Ein rauscharmer Verstärker (70 – 116 GHz) mit einer durchschnittlichen Rauschtemperatur von 30 K, hergestellt mit der 35-nm-HEMT-Technologie des Fraunhofer IAF.

Sie sind beide keine (Quanten-)Physiker, wie sind Sie zu diesem Projekt gekommen?

Thome: Quantencomputing (QC) ist längst kein exklusiver Forschungsbereich von Quantenphysikern mehr, sondern ein interdisziplinäres Forschungsfeld. Letztlich beruht die aktuell angestrebte Skalierung von QCs, die heute nachgewiesenermaßen funktionieren, maßgeblich auf elektrotechnischen Komponenten – und da kommen wir als Ingenieure der Hochfrequenztechnik ins Spiel.

Heinz: Wir haben beide unseren wissenschaftlichen Hintergrund in der Erforschung von kryogenen und ultra-rauscharmen Verstärkern. Das war bis vor ein paar Jahren noch ein richtiges Nischenthema, das klassischerweise in der Radioastronomie Anwendung findet. Seitdem die ersten funktionalen QCs aufgekommen sind, gibt es aber ein ganz neues Interesse an dem Forschungsbereich. Kryogene und rauscharme Elektronik wird nämlich für das Auslesen und Steuern von Qubits benötigt.

Was sind Ihre Aufgaben?

Thome: Im Rahmen des Projekts untersuchen wir am Fraunhofer IAF Hochfrequenztechnologien, mit denen wir schon viel Erfahrung gesammelt haben, wie mHEMTs und MOSHEMTs. Diese wollen wir im Hinblick auf die Nutzung in QCs optimieren. Dazu müssen wir das Rauschen der etablierten Technologien noch weiter verringern und die Komponenten kompakter gestalten, damit die Elektronik näher an den empfindlichen und gekühlten Qubits arbeiten kann. Als Projektleiter seitens des IAF befasse ich mich mit der Erforschung rauscharmer Verstärker.

Heinz: Ich bin in erster Linie für die Kryo- Messtechnik und  Rauschmodellierung zuständig. Dabei untersuche ich verschiedene Technologien bei extrem niedrigen Temperaturen und beschreibe deren Verhalten mit elektrischen Modellen für CAD-Systeme. Darauf basierend entwerfe ich ultra-rauscharme Schaltungen, die für einen kryogenen Betrieb optimiert sind.

Welchen Forschungsfragen würden Sie gerne als nächstes nachgehen?

Thome: Ein spannendes Thema, das noch nicht erschöpfend untersucht wird, ist die Frequenzskalierung von QCs. Heutzutage werden bei QCs rauscharme Verstärker im Frequenzbereich von etwa 5 GHz als zentrale Komponenten im Ausleseschaltkreis genutzt. Es ist aber theoretisch möglich, diese Frequenz zu erhöhen. Das könnte zum einen die Performance der Systeme verbessern und zum anderen könnten wir so auch mehr Synergien nutzen, die über das QC hinausgehen. Ein Beispiel hierfür sind zukünftige Satellitensysteme, bei denen rauscharme Verstärker bei einer Betriebstemperatur von etwa -220 °C zum Einsatz kommen könnten.

Heinz: Die Jagd nach immer rauschärmerer Hochfrequenzelektronik wird auch nach »SEQUENCE« eine spannende Fragestellung bleiben. In dem Projekt werden wir sicherlich einen großen Schritt in die Richtung machen, aber es wird noch nicht das Ende sein. Darüber hinaus interessiere ich mich für neuartige Integrationskonzepte und multifunktionale Elektronik für skalierbare Quantencomputer.