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Experimentelle Realisierung des
QuantencomputersMartin Weides, Physikalisches Institut
Supraleitende künstliche Spins (und Atome)
2222ωωωω10101010
ωωωω21212121non-linear LC oscillator
Induktivität LJ, φφφφTunnelkontakt
Kapazität C
00001111
Energieniveau künstliches Atome
Kapazität C
Supraleitender Tunnelkontakt LJ
Supraleitendes Qubit auf Chip Ausleseresonator
DFG Center for Functional Nanostructures
Nanostructure Service Laboratory
1 mm = 0,001 m =10−3 m
1 m
Makro – Milli – Mikro – Nano – Strukturen
1 nm = 0,001 µm =10−9 m1 Å = 0,1 nm =10−10m
Haar
1 µm =0,001mm=10−6 m
Schema Fabrikation1. Design software
3” wafer
(Si, Al2O3)
2. Film deposition,
optical litho, etch
3. E-beam markers
optical litho
Inductor, capacitor, flux bias…
(1 um+ feature sizes)
Markers (crosses etc.)
4. Dice into
20x20 mm2
5. E-beam litho, Al-AlOx-
Al shadow evaporation
‘Dolan’ bridges,
Tunnel junctions, …
6. Dice into
5x5mm2
Get 9 chips w/
different designsGet 6 chips w/
same designs
12 qubit chip
Deposition von MetallfilmenKontrolliertes Abscheiden (ca. 1000
Atomlagen) auf Substrat
Vakuum (10-12 bar, Mondoberfläche)
zur Reduktion von Verunreinigungen
Strukturierung von Dünnfilmen
Strukturierung (Reinraum)
Reinstbedingung (Mensch ist dreckig/staubig)
Lichtempfindliche Lacke � Gelblicht
Temperatur und Feuchtigkeits-kontrolliert
Strukturierung (mit UV Licht)
Quarzmaske mit Chrom-Struktur
100 mm
Quarzmaske mit Chrom-Struktur
Positionierung der Maske über Substrat
UV Licht “bricht” offene Lackstrukturen
0.4 mm
Inspektion
Plasmaätzen
50 µm
Entwickeln in Lauge
Design (links), Substrat (rechts)
Inspektion
BA thesisNeuwirth (2013)
Messlabor, Kryostate
Messe kleinste Signale (Einzelphotonen)Geschirmte UmgebungElektronik bei 25°CEigenentwicklung Messtechnik und Apparatur, Software
4 K (-269 °C)
1 K
0.7 K
Unterdrücke thermische Störungen!5 GHz=0.25 K=-272.9°C � arbeite bei 0.01K
Geöffneter
Kryostat
0.2 K
0.01 K
Qubit chip
Tra
nsm
issi
on
|S
21|
Frequency fr
Qubit “verstimmt” Resonator (Detektor)
� indirektes Auslesen
Mikrowellenkontrolle des Qubits
0↔1
0↔11↔2
½(0↔2) Drehen des Spins/Qubits
Spektroskopie mit starker (links), schwacher (rechts) Leistung
Lebenszeitmessung
Spektroskopie mit starker (links), schwacher (rechts) Leistung
2222ωωωω10101010
ωωωω21212121
00001111
Energieniveau künstliches Atome
MA thesisBraumüller (2013)
Weides et al. APL (2011)
Detektor für Materialwissenschaften
Koppel Qubit an Defektzustände, untersuche diese
AlOx
Al
Al
EInduktivität LJ, φφφφTunnelkontakt
Kapazität C
Limitierung der Qubit-LebenszeitLimitierung der Qubit-Lebenszeit
Bessere Materialien (auch für binäre Elektronik)
Verständnis von atomaren Schichten
Mariantoni et al.,Nat. Phys. 11
Frequency (bias)
Resonator 1 Resonator 2
Grabovskij et al.,Science 11
QuantensimulationProblem des Handlungsreisenden
kombinatorisches Optimierungsproblem: Tourenplanung, Logistik,
Mikrochipsdesign, Genom-Sequenzierung, ...
Bsp: kürzester Weg durch 15 größten Städte hat
(n-1)!/2 Kombinationen
14!/2 =1*2*...*13*14/2=643.589.145.60014!/2 =1*2*...*13*14/2=643.589.145.600
Quanten-Chemie, Simulation von Molekülen
Systemen größer als ca. 5 Atome (chemische Reaktion, mäßig komplexes
Molekül) nicht exakt simulierbar
auf klassischem Computer
Zusammenfassung, Ausblick
• Kryptographie, Quantensimulation, Berechnung
• Konventionelle Methoden der Halbleiterindustrie zur Herstellung
• An der Schwelle zur second quantum revolution (nach Halbleitern, Lasern)
• Quantencomputer mit wenigen Qubits, Grundlagenforschung (2014)
• Forschungsbedarf hinsichtlich Lebenszeit, Kontrolle, Skalierbarkeit• Forschungsbedarf hinsichtlich Lebenszeit, Kontrolle, Skalierbarkeit
TeamEgor Kiselev
Markus Neuwirth
Tobias Bier
Joel Cramer (Fotograf )
Amadeus Dieter
Lucas Radtke
Hannes Rotzinger
Sasha Lukashenko
Michael Meyer
Roland JehleAmadeus Dieter
Peter Fehlner
Marco Pfirrmann
Steffen Schlör
Saskia Meißner
Sebastian Skacel
Ping Yang
Jochen Braumüller (Fotograf )Gruppe Ustinov