Imec, ein Forschungs- und Entwicklungszentrum für Halbleitertechnologien, gab heute bekannt, dass der Europäische Forschungsrat (ERC ) Anton Potočnik für sein Projekt SuperQold, das sich mit der Skalierung der Auslesung supraleitender Qubits bei Millikelvin (mK) befasst, einen Consolidator Grant gewährt hat.
SuperQold zielt darauf ab, die Art und Weise, wie supraleitende Qubits ausgelesen werden, grundlegend zu verändern, indem die Signaldetektion von Raumtemperatur in den Millikelvin-Bereich verlagert wird, direkt neben die Qubits. Dieser Ansatz kann erhebliche Hardware-Engpässe beseitigen und den Weg für Quantencomputer ebnen, die von den heutigen Hunderten von Qubits auf die Millionen von Qubits skalieren können, die für praktische, fehlerbereinigte Anwendungen benötigt werden. Der ERC wird dieses ehrgeizige Fünfjahresprojekt mit einem Zuschussvon 2,86 Millionen Euro unterstützen.
Zwar arbeiten Forschungsgruppen auf der ganzen Welt an Prozessoren mit Dutzenden bis Hunderten von Qubits, doch die für fehlertolerante Quantencomputer erforderliche Größe ist mit den heutigen Hardware-Architekturen noch nicht zu erreichen.
Von Hunderten bis zu Millionen von Qubits
Eine wesentliche Einschränkung liegt in der Art und Weise, wie die Qubit-Signale weitergeleitet und erfasst werden. In den derzeitigen Systemen wird jedes Qubit über zentimetergroße Mikrowellenkomponenten und Kabel von einem Verdünnungskühlschrank mit Millikelvin-Temperaturen bis hin zur Elektronik bei Raumtemperatur verbunden. Eine direkte Skalierung dieses Ansatzes würde zu einer unkontrollierbaren Wärmebelastung des kryogenen Systems, zu schwerwiegenden Platzproblemen innerhalb des Kühlschranks und zu einer Explosion der Kosten und des Stromverbrauchs der Messgeräte bei Raumtemperatur führen.
„Heute sind die Auslese- und Steuerungshardware eines der größten Hindernisse bei der weiteren Skalierung supraleitender Quantencomputer“, sagt Anton Potočnik, Quantenhardware-Forscher am Imec. „Wenn wir einfach mehr kryogene Kabel, Zirkulatoren und Raumtemperatur-Instrumente hinzufügen, wird das System physikalisch und thermisch unmöglich zu handhaben. Mit SuperQold wollen wir dieses Paradigma durchbrechen.“
Der SuperQold-Ansatz
Potočnik plant, diese Herausforderung zu bewältigen, indem er supraleitende Qubits mit Kryo-CMOS-Elektronik direkt bei Millikelvin-Temperaturen integriert. Anstatt fragile Quantensignale den ganzen Weg bis zur Raumtemperatur zu senden, wird die Erkennung der Qubit-Zustände lokal, in der Nähe der Qubits selbst, durchgeführt.
Diese radikal neue Architektur wird:
große Mikrowellenkomponenten in den Ausgangsleitungen eliminieren,
die Anzahl der Signalleitungen zwischen Kühlschrank und Raumtemperatur zu reduzieren und
die Notwendigkeit großer, stromhungriger Raumtemperatur-Erfassungssysteme entfällt.
Durch die Erfassung und Verarbeitung von Signalen in der Nähe der Qubits öffnet SuperQold die Tür zu einer In-situ-Datenverarbeitung und einer schnellen Rückkopplung, die für die Umsetzung von Quantenfehlererkennungs- und -korrekturverfahren unerlässlich sind.
„Mit SuperQold wollen wir zeigen, dass man fortschrittliche CMOS-Elektronik bis hinunter zu Millikelvin-Temperaturen bringen und sie nutzen kann, um Qubits effizient und zuverlässig auszulesen“, erklärt Potočnik. „Wenn wir Erfolg haben, wird dies die Art und Weise, wie supraleitende Quantenprozessoren gebaut werden, neu gestalten und wirklich skalierbare Architekturen ermöglichen.“
Jenseits des Quantencomputings
SuperQold zielt zwar in erster Linie auf die skalierbare Quanteninformatik ab, seine Auswirkungen reichen jedoch viel weiter. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Konzepte und Technologien werden auch neue Paradigmen für Quantensimulationen, Quantensensorik, supraleitende Elektronik und Elektronik mit extrem niedrigem Stromverbrauch eröffnen.
„Dieser ERC Consolidator Grant stellt eine hohe Anerkennung für Anton Potočniks Erfolgsbilanz und seine Visionen im Bereich der supraleitenden Quantentechnologien und der Verknüpfung von Quantensystemen mit klassischen Steuer- und Ausleseschaltungen dar“, sagt Kristiaan De Greve, Programmdirektor für Quantencomputing und Fellow am Imec. „SuperQold passt sehr gut zur Vision des Imec im Bereich Quantencomputing, die sich darauf konzentriert, Qubits und Steuerung vom Labor in die 300-mm-Fertigung zu bringen: Die Herstellung von Quantensystemen in großem Maßstab erfordert ein kohärentes Zusammenspiel zwischen Innovation und der Bewältigung technischer Herausforderungen sowohl auf Qubit- als auch auf Steuerungsebene, wobei der Schwerpunkt auf der Interaktion zwischen Qubits und Kryo-CMOS-Steuerung liegt. Antons ERC Consolidator Grant wird sich auf Letzteres konzentrieren und helfen, schwierige Auslese-Engpässe zu lösen.“
