Skalierbare Chip-Architektur für Quantenschaltungen

Quantencomputer gelten als eine der Schlüsseltechnologien der Zukunft. Durch ihre enorme Rechenleistung eröffnen sie neue Möglichkeiten in Forschung und Industrie, etwa in der Simulation komplexer Moleküle oder der Optimierung industrieller Prozesse. Die Entwicklung leistungsfähiger Hardware dafür wird jedoch durch Herausforderungen wie Fertigungskonsistenz und Skalierbarkeit erschwert.

Stand der Technik

Quantenchips der aktuellen Entwicklungsstufe enthalten meist mehrere hundert supraleitende Qubits. Die komplexe Array-Architektur stellt hohe Anforderungen an Fertigung, Kühlung und Signalverarbeitung. Unerwünschte Signalüberlagerungen (Crosstalk) der elektromagnetischen Wellen zwischen den Qubits beeinträchtigen die Rechengenauigkeit. Jedes Qubit benötigt aufwändige Verkabelungen für eigene Steuerleitungen und Signalwege. Trotz Fortentwicklung erreichen bestehende Systeme häufig noch nicht die nötige Zuverlässigkeit (Gate Fidelity).

Technologie

Das Institut für Quanten-Materialien und Technologien (IQMT) des KIT arbeitet an Lösungen, die diese Probleme adressieren. Ein spezielles Chipdesign verbindet Qubits, Ausleser und Koppler auf ganz neue Weise auf einem Kupferträger, wodurch Platzbedarf und Komplexität reduziert werden. Qubit und Auslesefunktion sind in einer Struktur vereint, sodass Qubit-Zustände ohne zusätzlichen Ausleseresonator erfasst werden. Dies gelingt mithilfe einer exakt symmetrischen Kapazitätsmatrix: Eine Aluminiumschicht wird in der Basis der Normalmoden des Schaltkreises aufgebracht, die eine rein induktive Kopplung zwischen Qubit-Schaltkreis und Ausleseschaltkreis ermöglicht. Diese Ausführung gewährleistet präzises Koppeln, wodurch sich Crosstalk minimiert und Signalqualität verbessert. Die Forschenden machen sich die Stückelberg-Interferenz zunutze, um den Koppler mit einer wählbaren Frequenz (Frequenzmultiplexing) anzusteuern. Dieses physikalische Phänomen erlaubt es, Steuerfrequenzen eines Kopplers dynamisch anzupassen.

Vorteile

Das kompakte Chipdesign ist hochskalierbar und flexibel erweiterbar. Die Technologie kombiniert elektrische Isolation, räumliche Trennung und Abschirmungstechniken. Gleichzeitig verringert sich der technische Aufwand durch weniger Kabel. Dank modularer Bauweise lassen sich defekte Module einfach austauschen.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Partner für die Anwendung und Fertigung der Quantenchips, um die Technologie gemeinsam weiterzuentwickeln und in marktfähige Hardware zu überführen. Forschungskooperationen und Pilotprojekte bieten die Chance, gemeinsam an der Optimierung der Architektur zu arbeiten.