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Rauscharme RSFQ-Schaltungen zur Steuerung und zum Auslesen von Flux-Qubits

07.12.2006

Quantenzustände reagieren unvorstellbar empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Um festkörperbasierte Quantenbits mit der "äußeren Welt" zu verbinden, bieten sich Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logikschaltungen als effizientes Interface zur Quanteninformationsverarbeitung zwischen den Quanten- und klassischen Bereichen supraleitender Qubit-Schaltungsarchitekturen an. Die Integration von Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen und Josephson-Qubits erfordert die Implementierung der RSFQ-Logik mit nicht-standardmäßig verwendeten Parametern. Es wurden neuartige Schaltungsstrukturen entwickelt und realisiert, die in integrierten RSFQ-Qubit-Schaltungsanwendungen die Kontrolle und Manipulation von Quantenzuständen in Flux-Qubits gestatten. Die Gesamtschaltungen wurden an der PTB nach Design entwickelt und auf Rauscharmut optimiert. Sie wurden mit der Nb/Al-AlxOy/Nb SIS (S: Supraleiter, I: Isolator) Trilayer-Technologie mit extern geshunteten Josephsonelementen (kritischen StromdichtejC = 100 A/cm2) hergestellt und am CNR in Rom bei Temperaturen von T = 380 mK erfolgreich getestet.
Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild der integrierten RSFQ-Qubit-Schaltung. Schaltströme definiert ablaufender Schaltvorgänge eines Toggle (T)-Flipflops steuern die Quantenzustände eines Flux-Qubits durch induktive Kopplung in dessen Hauptschleife. Bild 2(a) zeigt ein neuartiges T-Flipflop, bei dem einerseits hochohmige Shunts R für die erforderliche Bedämpfung der Josephsonelemente sorgen, andererseits der Hauptbeitrag der Dämpfung von niederohmigen Widerständen R´ stammt. Bei symmetrischer Anordnung zur Speicherinduktivität der Flipflopzelle wird dadurch das Ausgangsrauschen der Schaltung vernachlässigbar klein. Bild 2(b) zeigt Messungen, die eine korrekte Funktionalität der in die Flux-Qubit-Struktur integrierten RSFQ-Flipflop-Schaltung nachweisen. Der gesamte Leistungsverbrauch der Schaltung nach Design beträgt etwa 100 nW.


Bild 1: Vereinfachtes Schaltbild einer integrierten RSFQ-Qubit-Schaltungsarchitektur. Die Kontrollfunktion der Qubit-Zustände wird durch Strompulse aus Schaltvorgängen einer T- Flipflopzelle wahrgenommen, die induktiv magnetischen Fluss in die SQUID-Schleife des Flux-Qubits koppeln. Ein Auslesen der Qubit-Zustände ist durch eine RSFQ-Komparatorzelle vorgesehen.


Bild 2: (a): T-Flipflop-Schaltung für rauscharmen Betrieb in integrierten RSFQ-Qubit-Schaltungen,
(b): Funktionalitätstest einer in eine Flux-Qubit-Struktur integrierten RSFQ T-Flipflopschaltung. Das Eingangssignal wird durch einen DC/SFQ-Konverter in SFQ-Pulse gewandelt (1 SFQ-Puls pro Periode). Diese Pulse erzeugen in der Speicherinduktivität des Flipflops Strompulse (bei halber Pulsrate). Hierdurch wird magnetischer Fluss in die Qubit-Schleife gekoppelt. Die Spannungspulse der Qubit-Antwort (gemessen über einen Auslese-SQUID) bestätigen die korrekte Schalt- und Kontrollfunktion.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des EU-Projekts "RSFQubit" (FP6-502807) durchgeführt.