High Density Wiring | Auf dem Weg zur Skalierbarkeit von Quantencomputern

Eine große Herausforderung bei der Entwicklung großskaliger Quantencomputer besteht darin, dass zur Kontrolle und zum Auslesen der Qubits zahlreiche Kabel benötigt werden. Gleichzeitig ist der Platz in den Kryostaten jedoch begrenzt, was die Integration dieser Kabel erschwert. Diese Einschränkung erfordert innovative Ansätze zur Verdichtung und Optimierung der Verkabelung, um die benötigte Anzahl an Verbindungen unter den gegebenen Platzbedingungen effizient zu realisieren.

Eine vielversprechende Technologie ist das High Density Wiring bei dem folien-basierte flexible Verbindungsleitungen statt konventioneller Koaxialkabel zum Einsatz kommen. So kann nicht nur die Verbindungsdichte erhöht, sondern auch die thermische Belastung durch eine Verringerung des gesamten Kabelquerschnitts und damit der gesamten thermischen Masse pro Verbindung erheblich reduziert werden. High Density Wiring trägt somit erheblich zur Skalierbarkeit des Quantencomputers bei und kann passgenau auf Kunden zugeschnitten werden.

Das gezeigte Exponat setzt sich aus einem flexiblen Kabel und einer raumsparenden PCB (Printed Circuit Board) Direktkontaktierung zusammen. Mithilfe von hochdichten Signalleitungen können Steuer- und Auslesesignale an die Qubits übertragen werden. Diese Signalleitungen werden durch ein spezielles Rolle-zu-Rolle-Verfahren gefertigt, das eine reproduzierbare Qualität der Leitungen ermöglicht. Die lithografische Strukturierung sorgt dabei für eine hohe Auflösung. Theoretisch können die Kabel auf diese Weise beliebig lang gefertigt werden. Zusätzliche Verbindungselemente können damit entfallen.

Mit dem gezeigten Design sind mehr als 80 geschirmte Leitungen pro Zoll realisierbar, deren kleiner Querschnitt (Dicke < 100 um) zusammen mit der Verwendung von supraleitenden Materialien zu einer geringeren aktiven sowie passiven Wärmeleitung führt. Die Schirmung jeder einzelnen Leitung durch den sog. via-fence reduziert den Crosstalk deutlich und das geringe Packaging der Direktkontaktierung spart Raum und Platz auf der Leiterplatte, auf der sich der Prozessor befindet. Das High Density Wiring-System kann somit dazu beitragen, begrenzte Kryostatkapazitäten optimal zu nutzen.

Die Forschung und Entwicklung des High Density Wiring –Systems wird im Rahmen zweier Projekte gefördert: Im Projekt »Munich Quantum Valley Quantencomputer Demonstratoren – Supraleitende Qubits« (MUNIQC-SC) durch das BMBF und im Rahmen des Munich Quantum Valley bzw. durch das Land Bayern (Hightech Agenda Bayern). Neben dem Fraunhofer EMFT sind zwei weitere Fraunhofer-Institute beteiligt: das Fraunhofer IIS sowie das Fraunhofer IISB.