Weiterentwickelte kryogene Elektronik kann Quanteninformatik und mehr verbessern
Kryogene Elektronik ist für verschiedene wissenschaftliche und technologische Anwendungen unerlässlich, insbesondere im Bereich der Quanteninformatik. Da Quantencomputer immer größer und komplexer werden, gestaltet sich die Bewältigung dieser kryogenen Bedingungen schwierig. Jedes Qubit benötigt einen eigenen Satz von Steuer- und Ausleseleitungen, die Wärme erzeugen und Interferenzen verursachen können. Daraus ergibt sich, dass Qubits ihren Quantenzustand verlassen und die Genauigkeit von Quantenoperationen beeinträchtigen. Um dem zu begegnen, muss ein Teil der Steuer- und Ausleseelektronik in einem Kryostat untergebracht werden, einem Behälter, in dem extrem niedrige Temperaturen herrschen. Durch diese Platzierung verringert sich der Bedarf an Wärmeleitkabeln, sie wird aber durch die begrenzte Kühlleistung des Kryostaten eingeschränkt, der nur eine bestimmte Menge an Wärme abführen kann. Dementsprechend sind energieeffiziente Implementierungen erforderlich. Im Rahmen des EU-finanzierten Forschungsprojekts SEQUENCE wurden spezielle kryogene Transistoren und Transistormodelle entworfen, die die Entwurfsspannen für den Betrieb kryogener Schaltungen erheblich verringern.
Neue Generation kryogener Elektronik
SEQUENCE hat erhebliche Fortschritte beim Verständnis und der Modellierung des Transistorverhaltens unter kryogenen Bedingungen erzielt. Fortgeschrittene Transistormodelle, die die Physik des Transistorbetriebs unter kryogenen Bedingungen genau beschreiben, haben entscheidend dazu beigetragen, den Stromverbrauch in erforderlichen Schaltungen zu senken. Dazu gehörten rauscharme Verstärker und deren Arrays, die in III-V-Transistortechnologie mit hoher Elektronenbeweglichkeit realisiert wurden“, erklärt Lars-Erik Wernersson, Projektkoordinator von SEQUENCE. Außerdem half dieses Wissen dem Team, die Transistoren in der 28-nm-FDSOI-Technologie (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) im Detail zu charakterisieren. Diese Transistoren wurden in hochleistungsfähigen Digital-Analog-Wandlern mit 18 Bit eingesetzt. Das Team hat zudem neue nanoelektronische Bauteile entwickelt, um die Signalübertragung und -richtung in Hochfrequenzgeräten zu optimieren, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. Insbesondere wurden Nanodrähte aus III-V-Halbleitern für die Weiterleitung von Hochfrequenzsignalen bei kryogenen Temperaturen genutzt. Durch ihre Implementierung wurde die Anzahl der benötigten ohmschen Kontakte verringert, was sich in einem geringeren Signalverlust niederschlägt.
3D-Integration führt Elektronik näher an Qubits
Das Konsortium bezog die 3D-Integration in das Projekt ein, da es davon ausging, dass sie eine attraktive Möglichkeit zur Skalierung von Quantensystemen darstellen würde. „Die wesentlichen Vorteile dieser Technologie sind die große Nähe zwischen dem Quantenzustand und der Steuer- und Ausleseelektronik sowie die vereinfachte Signalführung“, erklärt Wernersson. Durch derartige unmittelbare Nähe kann diese Elektronik direkt mit den Qubits interagieren, ihre Zustände steuern und ihre Antworten auslesen. Das Team erstellte seine erste Generation von Schaltkreisen mit vertikaler III-V-Nanodrahttechnologie. So ist eine effiziente Integration von III-V-Transistoren auf Siliziumsubstraten möglich, wodurch knappes Material eingespart und größere Wafer, also dünne Halbleiterscheiben, eingesetzt werden konnten. Innerhalb der Nanodrähte verhalf eine spezielle Art von Heterostruktur zum subthermalen Transistorbetrieb unterhalb der Schwellenspannung und trug so zur Leistungseffizienz der Schaltung bei. Bei der Erforschung verschiedener Optionen der 3D-Integration hat das Team außerdem eine programmierbaren dynamischen Spannungsvorspannungsschaltung mit 64 Ausgängen demonstriert, eine Errungenschaft, die Flexibilität bei der Schaltungssteuerung sowie ein hohes Maß an Komplexität und Programmierbarkeit bietet.
Über die Quanteninformatik hinaus
„Die im Rahmen von SEQUENCE entwickelte Technologie wird nicht nur Quantentechnologien zugute kommen. Halbleiterhersteller haben ihr Interesse bekundet, da das Projektteam das Verständnis für die Funktionsweise von Transistoren vertieft und die Transistormodelle zur Beschreibung des kryogenen Verhaltens verfeinert hat“, kommentiert Wernersson. Ihm zufolge kann die vorgestellte Schaltungstechnologie auch in der Raumfahrttechnik eingesetzt werden, wo Temperaturen zwischen 40 und 70 K herrschen. SEQUENCE prüfte Schaltkreismodelle, die Elemente aus beiden Extremen – Raumtemperatur und Tiefsttemperaturen – vereinen und damit die Anwendungsmöglichkeiten der Technologie erweitern. Zudem wurden in der kryogenen Elektronik für die Quanteninformatik verschiedene Eigenschaften gefunden, die für Kommunikations- und Radartechnologien von Nutzen sein können.
Schlüsselbegriffe
SEQUENCE, kryogene Elektronik, Transistor, Halbleiter, Quanteninformatik, Quanteninformationsverarbeitung, Kommunikationssysteme
