Quantenprozessoren

Licht schafft die bessere Verbindung

27. September 2022, 10:00 Uhr | Heinz Arnold
Der Aufbau des neuen magnetooptischen Modulators.
Der Aufbau des neuen magnetooptischen Modulators.
© Paolo Pintus et al., UC Santa Babara

Ein neuer magnetooptischer Modulator bringt Quantencomputer, deren Prozessoren bei tiefer Temperatur arbeiten, der Realität ein Stück näher.


Um tiefgekühlte Quantenprozessoren (QPU) mit der traditionellen Auswertelektronik zu verbinden, die bei Raumtemperatur arbeiten, werden bisher Metallleitungen eingesetzt. Der Nachteil: Sie erwärmen die QPU, was höchst unerwünscht ist, denn Wärme zerstört die Quantenzustände. 

Supraleitende QPUs arbeiten bei Temperaturen von nur einigen Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. In den Kryosystemen, die die QPUs auf die gewünschten Temperaturen kühlen, werden heute Metallleitungen verwendet, um die Signale hinein und nach außen zu bringen. Dabei dürfen nicht zu viele Signale pro Zeit übertragen werden, weil das die Drähte zu sehr erwärmen würde, was dann die Quantenzustände in der QPU zerstört.  

Der magnetooptische Modulator umgeht das Problem: Er nutzt ein magnetisches Feld, um elektrischen Strom in Lichtpulse umwandeln, die in optische Kabel eingekoppelt werden. Das minimiert einerseits den Wärmeeintrag in die QPU, denn Glas ist im Gegensatz zu Metall ein schlechter Wärmeleiter. Andererseits erlauben Lichtwellenleiter eine um den Faktor 1000 höhere Übertragungsrate, was beispielsweise in der Telekommunikation und für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung in Datenzenten standardmäßig Einsatz findet. 

»Damit haben wie den ersten Hochgeschwindigkeitsmodulator hergestellt, der auf Basis des elektrooptischen Effekts arbeitet. Er ermöglicht es, tiefgekühlte Systeme wie QPUs auf Basis von Supraleitern mit Steuer- und Auswerteelektronik so zu verbinden, die bei Raumtemperatur arbeitet – und zwar so, dass einerseits nicht zu viel Wärme in die QPU übertragen wird, andererseits die Datenübertragungsrate deutlich erhöht werden kann. So schlagen wir zwei Fliegen mit einer Klappe«, sagt Paolo Pintus von der Optoelectronics Research Group der UC Santa Barbara, der die Entwicklung des neuen magnetooptischen Modulators geleitet hat. 

Allerdings müssen die elektrischen Signale in Lichtsignale umgewandelt werden. Die dazu erforderlichen Modulatoren stehen seit langem zur Verfügung – sind aber nicht für Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts geeignet. Deshalb mussten die Forscher der UC Santa Barbara nach einem neuen Ansatz suchen. In ihrem Modulator nutzen sie den »Magnetooptischen Effekt«, um elektrischen Strom in Lichtpulse umzusetzen: der elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld, das den Brechungsindex eines künstlichen Granats ändert. Auf dieser Grundlage können die Wissenschaftler die Amplitude des Lichts regeln, das in einem Mikro-Ring-Oszillator kreist und mit dem Granat in Wechselwirkung steht. So lassen sich dunkle und helle Pulse erzeugen, so dass Informationen ähnlich wie beim Morsen übertragen werden. 

Bei der Entwicklung haben die Forscher darauf geachtet, möglichst Komponenten zu nutzen, die bereits in hohen Stückzahlen gefertigt werden, und den Modulator mit Hilfe von Standardverfahren herzustellen. So arbeiten sie mit einer Lichtwellenlänge von 1.550 nm, die in der Datenübertragung üblich ist. 

Andere Wissenschaftler hatten bereits Modulatoren entwickelt, die ähnlich wie ein Kondensator ausgelegt waren und elektrische Felder heranziehen, um elektrischen Strom in Licht umzuwandeln. Doch sie weisen eine hohe Impedanz auf, was schlecht zu supraleitenden QPUs passt, deren Impedanz null ist. Weil die Modulatoren, die sich den elektrooptischen Effekt zu Nutze machen, nur eine geringe Impedanz aufweisen, sollten sie weit besser als Schnittstellen zu den supraleitenden QPUs geeignet sein.

Die Datenübertragungsrate des neuen Modulators liegt bei 2 Gb/s, was gegenüber den 200- oder sogar 400 Gb/s, die in heutigen Datenzentren verwendet werden, wenig ist. Laut Pintus sei das aber ein sehr guter Wert für eine erste Demonstration. Dennoch sind die Forscher noch nicht dort, wo sie einmal hinwollen. Um in reale Anwendungen vordringen zu können, müssten die Module noch deutlich effizienter werden. Doch auch hier zeichnet sich ein Weg ab: Das Granat könnte durch ein besseres Material ersetzt werden. So sei laut Pintus der elektrooptische Effekt in Materialien auf Basis von Europium 300-mal höher als in Granat. 

»Unsere Forschungen an bisher nicht bekannten magnetooptischen Materialien, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, könnte den Weg zu einer neuen Klasse energieeffizienter Kryosysteme ebnen«, sagt Pintus.


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