In neue Veröffentlichung veröffentlicht in Nature Electronics, haben finnische Forscher eine Schaltung entwickelt, die die hochwertigen Mikrowellensignale erzeugt, die zur Steuerung eines Quantencomputers bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt benötigt werden. Dies ist ein wichtiger Schritt, um das Betriebssystem einem Quantenprozessor näher zu bringen, wodurch die Anzahl der Qubits im Prozessor deutlich erhöht werden kann.

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Einer der Faktoren, der die Größe von Quantencomputern begrenzt, ist der Mechanismus, der zur Steuerung der Qubits in Quantenprozessoren verwendet wird. Diese Steuerung wird typischerweise unter Verwendung einer Reihe von Mikrowellenimpulsen erreicht, und da Quantenprozessoren bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten, werden Steuerimpulse typischerweise über High-Flow-Drähte bei Raumtemperatur an eine gekühlte Umgebung gesendet.

Mit der Anzahl der Qubits steigt auch die Anzahl der Drähte. Dies begrenzt die potenzielle Größe eines Quantenprozessors, da der Kühlschrank, der die Qubits kühlt, größer werden muss, um mehr Drähte aufzunehmen, während er härter arbeiten muss, um sie zu kühlen, was eine Sackgasse ist.

Ein Forschungskonsortium bestehend ausAalto-Universität, von Finnisches Forschungszentrum für Mountainbikes, und D‘IQM Quantencomputer gerade die Schlüsselelemente entwickelt, um dieses Rätsel zu lösen. „Wir haben eine Präzisions-Mikrowellenquelle gebaut, die bei derselben ultraniedrigen Temperatur wie ein Quantenprozessor arbeitet, etwa -273 Grad“, sagte der Teamleiter. Mikko Mötonen, Professor an der Aalto University und dem Finnischen Technischen Forschungszentrum VTT und Mitbegründer und wissenschaftlicher Direktor von IQM.

Die neue Mikrowellenquelle ist ein Gerät auf einem Chip, das in einen Quantenprozessor integriert werden kann. Dadurch werden Hochfrequenz-Steuerkabel mit einem Durchmesser von maximal einem Millimeter überflüssig, die bei unterschiedlichen Temperaturen geführt werden. Mit dieser Mikrowellenquelle mit niedrigem Strom und niedriger Temperatur ist es möglich, einen kleineren Kryostaten zu verwenden, während die Anzahl der Qubits im Prozessor erhöht wird.

„Unser Gerät produziert hundertmal mehr Leistung als die Vorgängerversion, was ausreicht, um das Qubit zu steuern und quantenlogische Berechnungen durchzuführen“, erklärt Möttönen. „Dadurch entsteht eine sehr präzise Sinuswelle, die mehr als eine Milliarde Mal pro Sekunde schwingt. Daher sind Fehler in den Qubits der Mikrowellenquelle äußerst selten, was ein wichtiger Faktor für die Durchführung genauer quantenlogischer Berechnungen ist. “

Kontinuierliche Mikrowellenquellen, wie sie von diesem Gerät erzeugt werden, können jedoch nicht zur Steuerung der Qubits verwendet werden. Mikrowellen müssen zunächst in Impulse umgewandelt werden. Das Team entwickelt derzeit eine Methode, um eine Mikrowellenquelle schnell zu unterbrechen und neu zu starten.

Auch ohne Schaltlösung zur Erzeugung von Pulsen erweisen sich effiziente, leise und Niedertemperatur-Mikrowellenquellen in verschiedenen Quantentechnologien wie Quantensensoren.

„Neben Computern und Quantensensoren können Mikrowellenquellen als Uhren für andere elektronische Geräte fungieren. Es kann verschiedene Elemente auf dem gleichen Niveau halten und so Berechnungen für mehrere Qubits mit perfekter Synchronisation anstoßen“, erklärt Möttönen.

Die theoretische Analyse und der Vorentwurf wurden durchgeführt von Juha Hassel und andere Mountainbike-Forscher. Hassel, der diese Arbeit bei VTT initiiert hat, ist derzeit Head of Quantum Computer Engineering and Development bei IQM, dem europaweit führenden Anbieter von Quantencomputern. Das Gerät wurde dann am VTT hergestellt und von Postdoktoranden getestet Chengyu Yan und Kollegen der Aalto University mit der Forschungsinfrastruktur OtaNano. Yan ist derzeit Professor an der Huazhong University of Science and Technology, China. Das Team, das an der Studie teilnahm, war Teil des Center for Quantum Technology Excellence der Finnischen Akademie und des Finnischen Instituts für Quantenforschung (InstituteQ).

Originaler Forschungsartikel

Chengyu Yan, Juha Hassel, Visa Vesterinen, Jinli Zhang, Joni Ikonen, Leif Grönberg, Jan Goetz und Mikko Möttönen, Kohärente Mikrowellenquelle auf dem Chip mit geringem Rauschen, Natürliche Elektronik, DOI:10.1038/s41928-021-00680-z (2021)

https://doi.org/10.1038/s41928-021-00680-z (Link zugänglich nach Aufhebung des Embargos)

Vordruck ist erhältlich unter: https://arxiv.org/pdf/2103.07617

Weitere Fotos finden Sie in der Info-Bibliothek: https://materialbank.aalto.fi/l/sjcg87sHxFfR

Über IQM Quantencomputer

IQM ist ein europaweit führender Anbieter von Quantencomputern.

IQM bietet Quantencomputing-Funktionen vor Ort für Forschungslabors und Supercomputing-Rechenzentren und bietet vollen Zugriff auf seine Hardware-Infrastruktur. Für Industriekunden liefert IQM seinen Quantenvorteil durch einen anwendungsspezifischen Co-Design-Ansatz.

IQM baut Finnlands ersten 54-Qubit-Quantencomputer mit VTT, und das von IQM geführte Konsortium (Q-Exa) baut in Deutschland einen Quantencomputer, der in den HPC-Supercomputer integriert werden soll, um Beschleuniger für die zukünftige wissenschaftliche Forschung zu schaffen. IQM hat Niederlassungen in Bilbao, München und Espoo und beschäftigt mehr als 130 Mitarbeiter. Weitere Informationen zu: www.meetiqm.com

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