Neuer Qubit-Ansatz für Quantenschaltungen

Während Quantencomputer noch am Anfang ihrer Entwicklung stehen, werden supraleitende Quantenschaltkreise bereits in Mess- und Sensoreinrichtungen eingesetzt, wie zum Beispiel in parametrischen Verstärkern oder Magnetfeldsensoren. Der sogenannte Josephson-Kontakt wird als zentrales Element zur Konstruktion von Quantenbits (Qubits) und in Quantenschaltkreisen verbaut, um Quanteninformationen zu verarbeiten und zu speichern.

Stand der Technik

Ein typischer Josephson-Kontakt (JK) besteht aus zwei supraleitenden Aluminiumschichten, die durch eine ultradünne isolierende Oxidschicht getrennt sind. Wird zwischen beiden Supraleiterschichten ein Strom angelegt, können sich die Elektronen über die Barriere hinweg zu Cooper-Paaren zusammenschließen und quantenmechanische Tunnelprozesse abbilden. Etablierte Methoden zur Herstellung sind die Doppelwinkel-Schattenbedampfung, bei der das Aluminium aus zwei unterschiedlichen Winkeln aufgedampft wird, oder eine Kombination aus Lithografie und Ätzen. Beide Techniken haben gemein, dass mehrere Schritte von Nöten sind.

Technologie

Ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von JK haben Forschende des Physikalischen Instituts (PHI) am KIT entwickelt. Alle nötigen Teile eines Quantenschaltkreises (Kapazität, Induktivität und Nichtlinearität) werden in Form einer einzigen Schicht aus supraleitendem granularen Aluminium (GrAl) aufgedampft, kurz Einschicht-Bedampfung. Unter Sauerstoffatmosphäre formen sich wenige Nanometer kleine Aluminiumkörner in einer Oxidmatrix, die eine dreidimensionale Struktur mit vielen Nanokontakten bilden. Mithilfe einer Verengung der Supraleiterschicht auf ca. 20 Nanometer wird aus den Nanoübergängen ein wirksamer Josephson-Kontakt.

Vorteile

Die Einschicht-Bedampfung vereinfacht die Fabrikation insgesamt und erhöht die Reproduzierbarkeit. Da nur eine einzige Schicht aufgebracht wird, können die Kontakte wesentlich kleiner dimensioniert werden. Dieser Größenvorteil hat unmittelbar eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern zur Folge. Mit dem neuen Verfahren hergestellte Qubits erreichen eine Kohärenzzeit von ca. 10 Mikrosekunden.

Optionen für Unternehmen

Überall dort, wo heute bereits Josephson-Kontakte eingesetzt werden, sind die Nanokontakte vom KIT ebenfalls einsetzbar. Das KIT sucht Partner, vor allem aus den Bereichen Hardware und Elektronik, für anwendungsspezifische Entwicklungsprojekte sowie zur Lizenzierung der Technologie.