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