Aluminium

Feature vom 10. März 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Quantenprozessoren sind Computersysteme, die Informationen verarbeiten und Berechnungen durchführen, indem sie sich quantenmechanische Phänomene zunutze machen. Diese Systeme könnten herkömmliche Prozessoren bei bestimmten Aufgaben deutlich übertreffen, sowohl hinsichtlich der Geschwindigkeit als auch der Rechenleistung.

Während Ingenieure im letzten Jahrzehnt mehrere vielversprechende Quantencomputersysteme entwickelt haben, bleibt die Skalierung dieser Systeme und die Sicherstellung, dass sie in großem Maßstab eingesetzt werden können, eine ständige Herausforderung. Eine vorgeschlagene Strategie zur Erhöhung der Skalierbarkeit von Quantenprozessoren beinhaltet die Schaffung modularer Systeme mit mehreren kleineren Quantenmodulen, die einzeln kalibriert und dann zu einer größeren Architektur angeordnet werden können. Dies würde jedoch geeignete und effektive Verbindungen (dh Geräte zum Verbinden dieser kleineren Module) erfordern.

Forscher der Southern University of Science and Technology, der International Quantum Academy und anderer Institute in China haben kürzlich verlustarme Verbindungen zur Verbindung der einzelnen Module in modularen supraleitenden Quantenprozessoren entwickelt. Diese in Nature Electronics eingeführten Verbindungen basieren auf reinen Aluminiumkabeln und On-Chip-Impedanztransformatoren.

„Unsere jüngste Arbeit basierte auf Kernideen meiner Postdoc-Forschung an der University of Chicago, die vor zwei Jahren in Nature veröffentlicht wurde“, sagte Youpeng Zhong, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore. „In dieser Studie habe ich ein supraleitendes Niob-Titan-Koaxialkabel (NbTi) verwendet, um zwei Quantenprozessoren zu verbinden.“

In einer seiner früheren Arbeiten versuchte Zhong, zwei unterschiedliche Quantenprozessoren mithilfe supraleitender NbTi-Kabel zu verbinden, die üblicherweise zur Entwicklung von Kryo-/Quantensystemen verwendet werden. Um den Verbindungsverlust zu reduzieren (d. h. den Energieverlust, der inhärent auftrat, wenn Energie über die Kabel von einem Prozessor zum anderen übertragen wurde), versuchte er, die Quantenchips direkt mit dem NbTi-Verbindungskabel zu verbinden.

„Ich fand, dass das ziemlich schwierig war, also kam ich auf die Idee, neue Kabel aus verschiedenen supraleitenden Metallen wie Aluminium auszuprobieren, dem gleichen Material wie unsere Quantenschaltkreise“, erklärte Zhong. „Koaxialkabel aus reinem Aluminium sind im Handel nicht ohne weiteres erhältlich, da Aluminium verlustreicher und schwieriger zu löten ist als Kupfer, was es für normale Verkabelungsanwendungen ungeeignet macht. Darüber hinaus liegt seine supraleitende Übergangstemperatur unter der Temperatur von flüssigem Helium. Anders als.“ Bei Quantenverbindungsanwendungen kommt es selten vor, dass ein Koaxialkabel aus reinem Aluminium benötigt wird.“

Um seine neuen verlustarmen Verbindungen herzustellen, bestellte Zhong maßgeschneiderte Koaxialkabel aus reinem Aluminium und integrierte sie mit On-Chip-Impedanztransformatoren. Die resultierenden Verbindungen wiesen deutlich weniger Verluste auf (d. h. eine Größenordnung weniger) als routinemäßig verwendete Verbindungen auf Basis von NbTi-Kabeln und ließen sich auch leicht mit Quantenchips verbinden.

„Kabel aus reinem Aluminium erwiesen sich als die perfekte Wahl für Quantenverbindungen“, sagte Zhong. „Zu unseren Verbindungen gehören das speziell entwickelte Aluminium-Koaxialkabel, eine Drahtbondverbindung zwischen dem Kabel und dem Quantenchip sowie eine Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung auf dem Quantenchip, die als Impedanztransformator dient. Der Impedanztransformator in der Verbindung des Teams wandelt das um.“ Drahtbond-Verbindungspunkt zu einem Stromknoten eines Stehwellenmodus, der zur Übertragung von Quantenzuständen verwendet wird. Dies minimiert den Widerstandsverlust am Verbindungspunkt zwischen verschiedenen Quantenprozessoren erheblich.

„Unsere Ergebnisse erinnern uns daran, wie viel Verbesserungspotenzial wir erreichen könnten, wenn wir über den Tellerrand hinausschauen“, sagte Zhong. „Zum Beispiel legte die Arbeit von Charles Kao den Grundstein für optische Fasern, wie wir heute alle wissen: Mit einem Rekordverlust von 0,2 dB/km sind sie zum Rückgrat des modernen globalen Kommunikationsnetzes geworden – unverzichtbar für die Kurz- und Langstreckenkommunikation.“ Die transformative Wirkung dieser hochtechnischen und fast vernachlässigten materialwissenschaftlichen Forschung wurde 2009 zur Hälfte mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von Edelstahl für Elon Musks Starship Mars Rocket.“

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams unterstreicht das enorme Potenzial von Aluminiumkabeln für die Entwicklung effektiver Verbindungen zur Verbindung von Verarbeitungsmodulen in modularen Quantensystemen. Die von Zong und seinen Kollegen entwickelte verlustarme Verbindung könnte bald in andere modulare Systeme integriert werden und so zu den laufenden Bemühungen zur Entwicklung skalierbarerer Quantenprozessoren beitragen.

„Zu meinen zukünftigen Forschungsplänen gehört die Erforschung von Quantenverschränkungstoren in verschiedenen Quantenprozessoren“, fügte Zhong hinzu. „Ein anderer versucht, die Größe von Quantenprozessoren zu vergrößern, indem mehrere Module miteinander verbunden werden.“

Mehr Informationen: Song Liu, Verlustarme Verbindungen für modulare supraleitende Quantenprozessoren, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00925-z. www.nature.com/articles/s41928-023-00925-z

Youpeng Zhong et al., Deterministische Multi-Qubit-Verschränkung in einem Quantennetzwerk, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03288-7

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