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Kalt und Heiss verbinden

Die Alpträume der Quantencomputer-Ingenieure

13. Juni 2021, 15:26 Uhr   |  Heinz Arnold

Die Alpträume der Quantencomputer-Ingenieure
© IBM

Wie lassen sich die auf 10 mK gekühlten Quantenchips mit der konventionellen Elektronik kombinieren, um dem Kabel-Wirrwarr zu entfliehen?

Drei der weltweit größten Hersteller von Quantencomputern – Google, Intel und Microsoft – sowie einige Startups setzen auf Supraleiter für die Darstellung der Qubits. Sie müssen auf Millionstel Kelvin herabgekühlt werden. Was diese Tiefkühlung sofort beenden würde, wäre die Wärme, bei der konventionelle ICs arbeiten und die sie bei ihrer Arbeit abstrahlen. Allerdings können die tiefgekühlten Chips, auf denen die Qubits realisiert und verschränkt werden, nicht ohne die konventionellen ICs arbeiten, die sie steuern.

Die Welt der klassischen ICs und der tiefgekühlten Quantenchips müssen also streng voneinander isoliert werden. Die Steuer-IC, die bei Raumtemperatur arbeiten, sitzen deshalb weit entfernt oberhalb der Quantenchips – in sicherer Distanz zu den Quantenchips in den Verdünnungskryostaten, die sie von 4 K noch einmal auf ihre Arbeitstemperatur von rund 10 mK kühlen.

Dabei muss jedes einzelne Qubit separat über Kabel mit der oberhalb liegenden konventionellen Elektronik verbunden werden. Das verleiht den Quantencomputern dieses Typs ihr kurioses Aussehen, dass entfernt an Hängepflanzen erinnert. Bei den derzeit erreichbaren 56 Qubits, die sich lange genug verschränken lassen, um wenigstens kurzzeitig damit rechnen zu können, ist der Verkabelungsaufwand beherrschbar.

Vor lauter Kabeln kein Quantencomputer

Allerdings beschere es laut Fabio Sebastiano vom QuTech in Delft in den Niederlanden den Ingenieuren Alpträume, wenn sie an die Anzahl Hunderttausender oder sogar von Millionen von Qubits denken, die erforderlich wären, um Quantencomputer zu bauen, die tatsächlich einmal realistische Berechnungen durchführen könnten. Es wäre als wolle man jedes einzelne der 15 Millionen Pixel eines CMOS-Bildsensors mit ihrer Ausleseelektronik über 1 m lange Kabel verbinden.

Deshalb wollen diese Firmen nun einerseits versuchen, Methoden zu entwickeln, die es einerseits den Quantenchips erlaubt, bei höheren Temperaturen und andererseits den konventionelle ICs, bei niedrigen Temperaturen und minimaler Verlustleitung zu arbeiten. Auf diese Weise wollen sie die Temperaturdifferenz zwischen dem Quantenteil und dem konventionellen Teil eines Quantencomputers reduzieren – und die Chips vielleicht einmal in ein und dasselbe Gehäuse zu platzieren.

So hat Google einen CMOS-Steuer-IC entwickelt, der bei 4 K arbeiten kann, was gegenüber dem auf 10 mK gekühlten Quantenchip mehr als sommerlich heiß ist. Das könnte zu kleineren Quantencomputern und sinkenden Kosten für die Verbindung zur Steuerelektronik führen – und dazu, einmal 100 oder mehr Qubits beherrschen zu können.

ICs für tiefste Temperaturen

Doch auch an Instituten und Universitäten arbeiten die Wissenschaftler schon sei langem an dem Thema. So haben Forscher an der Chalmers University in Goetheburg (Schweden) einen Low Noise Amplifier (LNA) entwickelt, der auf Basis eines InP-HEMT arbeitet. Auch er verträgt 4 K.   Die LANs sind dafür zuständig, die schwachen HF-Signale zu verstärken, die die Qubits aussenden.

Das imec hat sogar einen HF-Multiplexer entwickelt, der auf dem Niveau von Milli-Kelvins arbeiten kann, so wie die Quantenchips – und deshalb in ihrer unmittelbaren Nähe. Damit könnte sich die Ausleseelektronik wesentlich vereinfachen lassen.

Mit SeeQC gibt es bereits ein Startup-Unternehmen das sich zum ebenfalls Ziel gesetzt hat, Quanten-Computing und klassisches High-Performance-Computing zu kombinieren, um die Vorteile aus beiden Welten zusammen zu führen. SeeQC ist 2019 aus Hypres hervorgegangen, einem Spezialisten für die Entwicklung und Fertigung von supraleitenden Elektronikkomponenten wie auf Josephson-Kontakten basierende SQIDs. Deshalb hat SeeQC Zugriff auf die Fab von Hypres, wo die Chips gefertigt werden. Unter anderem hat Merck über M Ventures in SeeQC investiert.

Der hybride »Quantum-Classical-Computer«

Das Ziel besteht darin, einen hybriden »Quantum-Classical-Computer« zu bauen. Dazu hat SeeQCc den sogenannten Digital Quantum Management Chip (DQM) entwickelt. Dieses System-on-a-Chip bildet die Brücke zwischen dem Quantenchip und einem klassischen Co-Prozessor. Die drei Chips sind in einem einzigen Gehäuse integriert, das gekühlt wird. Der DQM übernimmt die Steuerung der Qubits und liest sie aus. Außerdem laufen hier die Fehlerkorrekturalgorithmen ab. Weil sie in unmittelbarer Nähe zu den tiefgekühlten Qubit-Chips positioniert sind, reduziert sich die Komplexität der I/O-Schnittstellen drastisch, aufwändige Verkabelungen zwischen dem tiefgekühlten und den übrigen Elementen, wie sie im herkömmlichen Aufbau erforderlich sind, können entfallen.

Das Beispiel zeigt, dass nicht nur der technische Kern der Quantencomputer, die Qubits, für den Einsatz in realen Umgebungen fit gemacht werden müssen, auch viele weitere für die Öffentlichkeit weniger spektakuläre Bereiche müssen entwickelt werde, um zu einem funktionierenden Ecosystem zu kommen.

Ein Kabel von Delft Circuits in einem Qantencomputer.
© Delft Circuits

Ein Kabel von Delft Circuits in einem Qantencomputer.

Das wäre von großer Bedeutung. Denn die supraleitenden Kabel, die heute verwendet werden, um die Signale der Qubits zur weiteren Verarbeitung an die konventionelle Elektronik zu leiten, sind speziell auf diesen Einsatz zugeschnitten. Dementsprechend teuer sind sie. Der Haupthersteller weltweit ist die Firma Coax Co. in Japan.

In Europa wurde 2017 Delft Circuits gegründet, die sich auf die Fertigung von Kryo-Kabeln und Steckverbindern für den Einsatz in Quantencomputern spezialisiert hat. Die ersten Produkte ihrer Ci/oFlex-Technik hat Delft Circuits 2019 verkauft, jetzt beliefert die Firma eigenen Angaben zufolge Forschungseinrichtungen, Startups und weltweit tätige Unternehmen, die an Quantencomputern arbeiten. Das Unternehmen verfügt über eine 150 m² große Pilotlinie im Delft Quantum Campus. Seit Juni 2020 bestehet eine Verkaufs- und Technologiepartnerschaft mit CryoCoax, die sich ebenfalls auf Coax-Kabel und Steckverbinder spezialisiert hat, die im Umfeld tiefster Temperaturen arbeiten.  

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