Supraleitende Qubits Bessere Kryotechnik mit Temperaturen von unter 30 mK

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Neue Kryostate ermöglichen Temperaturen unter 30 mK. Damit lassen sich supraleitende Qubit-Chips und Kontrollstrukturen realitätsnah testen. Ein Schritt zu besser skalierbaren Quantencomputern.

Das Center Nanoelectronic Technologies (CNT) am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS) hat kürzlich zwei neue Tieftemperatur-Messsysteme in Betrieb genommen. Die Kryostate dienen der Charakterisierung von Qubit-Strukturen und supraleitenden Schaltungen im Millikelvin-Bereich. Finanziert wurde die Anschaffung durch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK).

Anforderungen an supraleitende Qubit-Systeme

Die Stabilisierung von Qubit-Zuständen in supraleitenden Systemen erfordert extreme Tieftemperaturen – typischerweise unterhalb von 100 mK. Neben den Qubit-Chips selbst müssen auch Steuer- und Ausleseschaltungen, Verdrahtung und thermische Isolation unter diesen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Die neuen Kryostate am CNT ermöglichen umfassende Charakterisierungen unter realitätsnahen Bedingungen.

Das System „SD dilution refrigerator“ oder kurz SD-Kryostat des finnischen Herstellers Bluefors ist für elektrische Leitungen sowie für zusätzliche Signalquellen auf verschiedenen Kühlstufen modular erweiterbar. Forscher können damit CMOS- und Speichertechnologien für kryogene Anwendungen entwickeln, um stabile digitale Schaltungen und Systeme zu schaffen, welche unter extremen Bedingungen funktionieren können. Eingesetzt wird das System unter anderem in den Projekten ARCTIC und QSolid. Auch heterogene Integrationsansätze mit unterschiedlichen Temperaturzonen, etwa Interposer-Strukturen, lassen sich mit diesem System erproben.

Das zweite System, der „L-Type Rapid“ des Münchner Unternehmens Kiutra, ist auf effiziente Probenzyklen ausgelegt. Über ein integriertes Transfersystem wird lediglich die Probe selbst gekühlt, nicht das gesamte Kryomodul. Durch die verkürzte Abkühl- und Aufwärmdauer der Probekammer, wird ein erhöhter Durchsatz an zu analysierenden Proben erreicht. Der Kryostat kann außerdem ein starkes Magnetfeld erzeugen, wie es auch in einigen Quantencomputern vorherrscht. Er verzichtet bei der Kühlung auf das übliche Helium-Gemisch und erreicht die extrem niedrigen Temperaturen im Millikelvin-Bereich einzig durch die Verwendung von Helium-4 und der Entladung von mehreren Magneten, um noch tiefere Temperaturen zu erreichen.

Erweiterte Temperaturbereiche für Forschung und Entwicklung

Die bisherige Infrastruktur des CNT ermöglichte Messungen bis zu 1,7 K. Mit den neuen Anlagen sind nun Temperaturen bis 30 mK möglich. Bei diesen Temperaturen werden die meisten aktuellen Qubit-Technologien betrieben. Die Forscher am CNT entwickeln auf der Tieftemperatur-Plattform supraleitende Schaltungen, Kryoelektronik und thermisch integrierte Systeme weiter. Dank der erweiterten Ausstattung greifen nun auch externe Projektpartner auf die verbesserten Testkapazitäten zu – sowohl in öffentlich geförderten Projekten als auch im direkten Auftrag.

Mit der Inbetriebnahme der neuen Kryostate stärkt das Fraunhofer IPMS seine Position bei der Quanten- und Supraleiterforschung. Ziel ist die Entwicklung robuster, skalierbarer Komponenten für künftige Quantencomputer-Architekturen – insbesondere mit Blick auf industrielle Anwendungen und eine langfristige technologische Souveränität. (heh)

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