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Entwicklung supraleitender Digitalschaltungen für die Neuen Quantentechnologien

Im Rahmen des Europäischen Netzwerks "FLUXONICS" wurde am Leibniz-IPHT eine Rapid-Single-Flux-Quantum-Technologie für 4.2 Kelvin mit extrem geringer Verlustleistung etabliert. Diese Technologie wird für den sub-Kelvin-Bereich weiterentwickelt, und ermöglicht dadurch Interfaces zwischen Quantensensoren und Quantenbits und klassischer Raumtemperaturelektronik.

Abb. 1: Schnitt durch einen Josephsonkontakt. Zur besseren Sichtbarkeit wurden die dünne Isolationsschicht aus Al-Al2O3 rot und die Niob-Ebenen blau eingefärbt. Die dunklen Bereiche stellen weitere Isolationsebenen dar. Für das REM-Schnittbild wurde ein Graben mittels FIB-Technologie präpariert, wofür eine zusätzliche Schutzschicht (Grauer Layer auf der Niob-Schicht) aufgebracht wurde.

Abb. 2: Das Schnittbild einer Widerstandsstruktur wurde, wie in Bild 1 beschrieben, angefertigt. Die dünne Widerstandschicht wurde zur besseren Sichtbarkeit grün hervorgehoben.

Von Jürgen Kunert // Evgeni Il'ichev // Oliver Brandel // Gregor Oelsner // Ronny Stolz // Hans-Georg Meyer

Die Quantentechnologien rücken in den kommenden Jahren in den wissenschaftlichen Fokus zur technologischen Umsetzung neuartiger Ideen basierend auf der Nutzung von „seltsamen“ Quanteneigenschaften. Dieses Forschungsfeld hat vier Säulen: Quantenkommunikation und Kryptographie, Quantensimulation, sehr schnelles Quantencomputing sowie nicht zuletzt Quantensensoren und Metrologie. Für jeden dieser Arbeitsbereiche bieten festkörperbasierte, supraleitende Systeme und Schaltungen eine Vielzahl von z.T. einzigartigen und befördernden Eigenschaften, durch die mit Supraleitern verbundenen Phänomene wie Quantisierung des magnetischen Flusses und des Josephson-Effektes.  Gerade die Auslesung einer Vielzahl von Quantensensoren und Quantenbits macht ein schnelles, integrierbares Interface als Basistechnologie notwendig, dass z.B. durch skalierbare hochintegrierte Schaltungen erreicht werden kann. Abhängig von der Anwendung und den verwendeten Materialien werden supraleitende Digitalschaltungen bis auf wenige Millikelvin abgekühlt. Insbesondere bei großen integrierten Schaltungen ist hier die extrem geringe Verlustleistung bei gleichzeitig sehr hoher Taktfrequenz von Vorteil.

Das Leibniz-IPHT hat gemeinsam mit den Partnern des Europäischen Netzwerks "FLUXONICS" eine Foundry für Rapid-Single-Flux-Quantum (RSFQ) - Schaltungen etabliert. Diese Technologie basiert auf supraleitenden Digitalschaltungen, welche die An- oder Abwesenheit eines magnetischen Flussquants als logisches Bit verwenden. Für die bisherige Anwendung im Supercomputing wurden diese RSFQ-Schaltungen für eine Arbeitstemperatur von 4,2 Kelvin optimiert. Aufgrund der extrem geringen Verlustleistung ist diese Technologie ein wichtiger Kandidat zum Aufbau von Interface-Schaltungen zu neuartigen Quantentechnologien basierend auf Qubits, Quantensensoren oder photonischen Detektoren wie z.B. SNSPDs. Hierfür muss für die verwendete Dünnschicht-Technologie der Temperaturbereich unterhalb einem Kelvin erschlossen werden.

Ein erster Schritt für diese Technologieentwicklung ist der Entwurf und die Herstellung eines Testschaltkreises, der die Basiselemente in unterschiedlichen Größen enthält, wodurch eine Parameterextraktion bei unterschiedlichen Temperaturen möglich wird. Für die RSFQ-Technologie sind Josephson-Kontakte und Dämpfungs- bzw. Shunt-Widerstände die Basiselemente, mit deren Hilfe die elektronischen Eigenschaften eingestellt werden. In Bild 1 wird der Querschnitt eines Josephson-Kontaktes gezeigt. Die Querschnittspräparation wurde mittels FIB durchgeführt. Der Trilayer (Schicht aus Niob-Al/Al2O3-Niob) bestimmt die physikalischen Eigenschaften, wobei die Dicke der wenige Nanometer dünnen Al2O3-Isolationsschicht sehr genau eingestellt werden muss. In Bild 2 ist ebenfalls ein Querschnitt der sehr dünnen Widerstandsschicht zu sehen, deren Dicke ebenfalls sehr genau einzustellen ist.

Diese Basiselemente wurden mit Hilfe eines He3-Verdampferkühlers bei 4,2 Kelvin, 1 Kelvin und 0,3 Kelvin charakterisiert und anschließend eine Parameterextraktion durchgeführt. Mit diesen Ergebnissen sind nun der Entwurf und die Herstellung einfacher Schaltungen zur Auslese von Quantenschaltkreisen möglich. Die Charakterisierung dieser Grundschaltungen dient als Basis für die Entwicklung komplexer Schaltungen. In mehreren Integrationsschritten kann so der Aufbau von Interface-Schaltungen für photonischen Detektoren und für Schaltungen zur Manipulation von Qubits vorangetrieben werden.

Gefördert von: EU, FLUXONICS e.V. 

Zugehörige Publikation

J. Kunert, R. IJsselsteijn, E. Il'ichev, O. Brandel, G. Oelsner, S. Anders, V. Schultze, R. Stolz, and H.-G. Meyer, Examples of superconducting technology application: sensing and interfacing, in: Low Temperature Physics, 2017, Vol. 43, No. 7, pp 986-990, doi.org/10.1063/1.4995626 

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