Auslesen und Steuern von Qubits | Über Hochfrequenzelektronik für Quantencomputer

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

[FH]: 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 QC 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.

[FT]: 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.

[FH]: Ich bin in erster Linie für die Kryomesstechnik 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.

[FT]: Ein spannendes Thema, das noch nicht erschöpfend untersucht wird, ist die Frequenzskalierung von QC. Heutzutage werden bei QC 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.

[FH]: 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.