Wir entwickeln zwei spezialisierte Steuer-ASICs für Quantenprozessoren, um den Übergang von heutigen Laboraufbauten zu kompakten, energieeffizienten Systemen mit hoher Kanaldichte zu ermöglichen. Unsere Arbeiten verbinden Schaltungsdesign, Systemintegration und präzise Messtechnik unter realen Bedingungen, d.h. wir erforschen das gesamte System von der Raumtemperatursteuerung bis zur Integration im Kryostaten inhouse.
Effiziente Signalverarbeitung bei Raumtemperatur
Der erste Chip arbeitet bei Raumtemperatur als analoger Hochfrequenzsender. Ein extern erzeugtes Basisbandsignal wird über eine zweistufige Frequenzumsetzung auf die Zielfrequenz gebracht, wodurch unerwünschte Nebensignale effektiv unterdrückt werden. Der Fokus liegt auf kompakter Bauweise, höherer Kanaldichte und geringerem Energieverbrauch. Eine besondere Herausforderung ist die Filterung: Integrierte, platzsparende Filter vereinfachen das Design, erreichen aber nicht immer die Qualität externer Komponenten. Wir untersuchen daher, ob die erforderliche Signalgüte vollständig On-Chip realisierbar ist oder ob gezielt externe Filter eingesetzt werden sollten. Die Erzeugung des Basisbandsignals erfolgt zunächst außerhalb des Chips.
Steuerung in der Kälte – Elektronik nahe am Quantenprozessor
Langfristig verlagern wir die Elektronik in unseren Kryostaten und betreiben sie bei 4 Kelvin (−269 °C) in unmittelbarer Nähe zum Quantenprozessor. Kurze, supraleitende Verbindungen minimieren Verluste, verbessern die Signalqualität und senken den Wärmeeintrag auf die Qubits – entscheidend für die präzise Steuerung vieler Kanäle. Die niedrige Temperatur ermöglicht besonders energieeffiziente, rauscharme Schaltungen und erhöht die Kanaldichte deutlich. Herausforderungen wie fehlende zuverlässige Simulationsmodelle für die sich stark veränderten Bauelementeigenschaften bei 4 Kelvin begegnen wir mit messbasierter Modellbildung sowie kalibrierbaren und adaptiven Schaltungen. Da die verfügbare Kühlleistung stark begrenzt ist, setzen wir auf gepulsten Betrieb, konsequentes Abschalten außerhalb der Pulse und gemeinsam genutzte Ressourcen.
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
