Die Entwicklung von Quantencomputersystemen beruht auf der Fähigkeit, die elektrischen Eigenschaften dieser Systeme, wie etwa ihre zugrunde liegenden Ladungs- und Spinzustände, schnell und präzise zu messen. Diese Messungen werden normalerweise mithilfe von Hochfrequenzresonatoren durchgeführt, die mithilfe spannungsgesteuerter Kondensatoren, sogenannter Varaktoren, abgestimmt werden.
Forscher am University College London (UCL) haben kürzlich einen neuen Varaktor entwickelt, der auf Materialien basiert, die quantenparaelektrisches Verhalten aufweisen. Ihr vorgeschlagenes Gerät, das in einem Papier veröffentlicht in Naturelektronikkann das Radiofrequenz-Auslesen von Quantenpunktgeräten bei niedrigen Temperaturen bis zu einigen Millikelvin (mK) optimieren.
„Um unsere Forschungen zu Quantengeräten durchzuführen, verwenden wir Hochfrequenzresonatoren zur Auslesung“, sagte Mark Buitelaar, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Um diese Auslesung zu optimieren – etwa die Abstimmung der Resonatorfrequenzen oder ihre Kopplung an Übertragungsleitungen – brauchten wir abstimmbare Kondensatoren – auch Varaktoren genannt – die robust und unempfindlich gegenüber Magnetfeldern sind und – was am wichtigsten ist – bei Temperaturen funktionieren, die nur wenige mK über dem absoluten Nullpunkt liegen.“
Varaktoren werden in der Halbleiterindustrie häufig verwendet, bisher wurden sie jedoch nicht in der Quantentechnologie eingesetzt. Der Grund hierfür ist, dass sie bei den sehr niedrigen Temperaturen, bei denen Quantentechnologien eingesetzt werden, schlecht oder überhaupt nicht funktionieren.
Im Rahmen ihrer jüngsten Studie wollten Buitelaar und seine Kollegen einen neuen Varaktor entwickeln, der bei diesen niedrigen Temperaturen gut funktioniert. Das von ihnen entwickelte Gerät basiert auf Strontiumtitanat und Kaliumtantalat, zwei Materialien, die quantenparaelektrische Eigenschaften und eine große feldabstimmbare Permittivität bei niedrigen Temperaturen aufweisen.
„Jedes paraelektrische Material kann als Grundkomponente eines Varaktors verwendet werden, da seine Permittivität durch elektrische Felder – also durch einfaches Anlegen einer Spannung – einstellbar ist“, erklärte Buitelaar. „Das Besondere an quantenparaelektrischen Materialien wie Strontiumtitanat ist, dass diese paraelektrischen Eigenschaften bis zum absoluten Nullpunkt erhalten bleiben.“
Buitelaar und seine Kollegen bewerteten die Leistung ihrer Varaktoren in einer Reihe von Tests und stellten fest, dass sie bei niedrigen Temperaturen bis zu 6 mK äußerst gut funktionieren. Dies sind die Temperaturen, bei denen sie ihre Quantenpunktgeräte betreiben.
„Mit den Varaktoren konnten wir unser Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Präzision und Geschwindigkeit unserer Messungen deutlich verbessern“, sagte Buitelaar. „Wir erwarten, dass unsere Varaktoren für viele andere Forscher interessant sind, die Geräte verwenden, die nur bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten, wie etwa Qubits in Halbleitern oder supraleitenden Materialien.“
Im Rahmen ihrer jüngsten Studie nutzten die Forscher ihren Varaktor, um die Hochfrequenzauslesung von Quantenpunktgeräten auf Kohlenstoffnanoröhrenbasis zu optimieren, die sie selbst entwickelt hatten. Bei Anwendung auf diese Geräte erreichte der Varaktor eine Ladungsempfindlichkeit von 4,8 μe Hz−1/2 und eine bemerkenswerte Kapazitätsempfindlichkeit von 0,04 aF Hz−1/2.
„Zusammen mit Kollegen vom London Center for Nanotechnology am UCL arbeiten wir derzeit an Dotierstoffen in Silizium als Bausteine eines Quantenprozessors“, ergänzt Buitelaar. „Die quantenparaelektrischen Varaktoren helfen sicherlich dabei, die Messgenauigkeit und Geschwindigkeit unserer Quantenzustandsanzeige zu optimieren, was sehr wichtig sein wird, wenn die Quantenschaltkreise auf größere Systeme hochskaliert werden.“
Weitere Informationen:
P. Apostolidis et al, Quantenparaelektrische Varaktoren für Radiofrequenzmessungen bei Millikelvin-Temperaturen, Naturelektronik (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01214-z
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