Arbiträrgeneratoren Die Vorteile von Mikrowellen bei der Qubit-Manipulation

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Ein deutsches Start-up-Unternehmen setzt bei seinen Quantenprozessoren auf Mikrowellensteuerung statt auf lasergestützte Qubit-Manipulation. Zum Einsatz kommen PCIe-Karten und eine optionale DDS-Firmware. Ein Vorteil ist die einfachere Hardwarearchitektur.

Quantenwissenschaftler weltweit arbeiten daran, Quantencomputer zuverlässiger und leistungsfähiger zu machen. Ein bemerkenswertes Beispiel dafür ist das deutsche Start-up eleQtron, das Mikrowellen anstelle von Lasern verwendet, um einzelne Ionen-Qubits zu steuern. Diese Technologie vereinfacht das Design der Systeme erheblich und reduziert den Kühlbedarf, was den Stromverbrauch senkt.

Bei eleQtron handelt es sich um ein Spin-off der Universität Siegen und setzt in seinen MAGIC-Quantenprozessoren (Magnetic Gradient Induced Coupling) auf Mikrowellensteuerung statt auf lasergestützte Qubit-Manipulation. Der Ansatz ermöglicht eine deutlich vereinfachte Hardwarearchitektur, verringert den optischen Aufbau, senkt den Energiebedarf und geht gleichzeitig auf die Skalierungsprobleme klassischer laserbasierter Systeme ein.

Stabiles Mikrowellensignal manipuliert Qubits

In den MAGIC-Prozessoren speichern lineare Paul-Fallen bis zu 30 Yb⁺ Ionen (171 Yb⁺) in einer Vakuumkette, wobei jedes Ion ein Qubit repräsentiert, welches schlussendlich die Berechnungen ausführt. Anstelle fokussierter Laserstrahlen erfolgt die Qubit-Manipulation durch ein stabiles Mikrowellensignal. Dieses Signal entsteht durch die Kombination einer HF-Oszillatorquelle mit dem Ausgang einer Direct- Digital-Synthesis- (DDS-)fähigen Arbiträrgenerator-Karte (AWG) von Spectrum Instrumentation, gekoppelt über einen Einseitenbandmischer (SSB). Der erzeugte Frequenzträger liegt typischerweise bei ungefähr 12,64 GHz und adressiert den hyperfeinen Zeeman-Übergang des 171 Yb⁺ Ions. Mikrowellen sind im Vergleich zu Lasern technisch einfacher und benötigen nur etwa ein Fünftel der Energie.

Das Magnetfeld des MAGIC-Prozessors erzeugt einen lokal variierenden Zeeman-Shift, der es ermöglicht, einzelne Ionen über Frequenzdifferenzen von etwa 3 bis 5 MHz zu adressieren. Die präzise Modulation dieser Teilfrequenzen in Amplitude, Phase und Pulsdauer ist entscheidend für die reproduzierbaren Rabi-Frequenzen und damit für die Gattergeschwindigkeit des Systems. Als eleQtron an die Leistungsgrenzen ihrer bestehenden AWG-Hardware stieß, wandten sie sich an Spectrum Instrumentation.

Rolle der DDS-fähigen AWG

Die eingesetzte PCIe-Karte aus der Spectrum-Serie M4i.66xx nutzt hochauflösende 16-Bit-DACs und eine Abtastrate von bis zu 1,25 GS/s. Mit der optionalen DDS-Firmware lassen sich bis zu 20 kohärente Sinusträger pro Kanal erzeugen. Jeder DDS-Träger ist hinsichtlich Frequenz, Amplitude, Phase und Rampenprofil unabhängig programmierbar, was eine dynamische Anpassung der Pulsfolgen in Echtzeit erlaubt.

Dank synchroner Mehrkanalbetriebsmodi und einer internen Triggerarchitektur mit unter 100 ps Skew bei Mehrkartensynchronisation können mehrere DDS-Kanäle zu einem sauberen Spektrum kombiniert werden. Die präzise Amplitudenregelung ermöglicht eine Steuerung der Rabi-Oszillation bis in den kHz-Bereich. Datenübertragungsraten von bis zu 2,8 GByte/s zwischen Host-PC und AWG erlauben schnelle Umprogrammierungen der Pulssequenzen, was vor allem für Quantenexperimente mit Echtzeit-Parametervariation entscheidend ist.

Vorteile der Mikrowellenarchitektur:

• Wegfall komplexer Laseroptiken und Strahlformungssysteme

• Geringere Systemdrift und einfacher thermisch stabilisierbar

• Integration der HF-Architektur in skalierbare, chipbasierte Fallen möglich

• Energiebedarf für Mikrowellenerzeugung unter 20% einer vergleichbaren Lasereinheit

Auch wenn Ultra-Hochvakuum und Temperaturstabilisierung der Fallenstruktur weiterhin notwendig sind, reduziert das Mikrowellendesign die Komplexität und Wartungsanfälligkeit erheblich. Für Elektronikentwickler ist die flexible DDS-Ansteuerung besonders interessant, da sie experimentelle Modifikationen von Frequenz- und Phasenbeziehungen ähnlich der HF-Messtechnik ermöglicht. (heh)

Signal-Generatoren

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