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Josephson Tunnelelemente mit nichtlinearer Dämpfung für RSFQ-Qubit Schaltungsanwendungen

18.02.2005

Überdämpfte Josephsonkontakte sind die Schlüsselelemente in Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen. Durch extern geführte normalleitende Widerstandsshunts lassen sich in Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Josephsonelementen (SIS) hysteresefreie Strom-Spannungs-Charakteristiken einstellen, was die korrekte Funktion von RSFQ-Schaltungen gewährleistet. Heutzutage wird die RSFQ-Elektronik als vielversprechende komplementäre Elektronik zu Netzwerken mit Josephson Quantum Computing Strukturen angesehen. Insbesondere wird in der Klasse der auf Josephsonelementen aufgebauten RSFQ-Schaltungen ein hohes Potential gesehen, um Kontrolle, Auslesen und Verarbeitung von Information in Josephson-Qubit-Systemen zu ermöglichen. Unter den hohen technologischen Herausforderungen zur Kopplung von RSFQ- und Qubit-Schaltungen werden als größtes Problem die von einer RSFQ-Schaltung rückwirkenden Rauscheinflüsse gesehen, was ernsthafte Auswirkungen auf die Dekohärenz eines Qubits hat. Signifikante Rauschanteile werden durch Shuntwiderstände, selbst im spannungslosen Zustand der Josephsonelemente, erzeugt. Wir haben ein Konzept mit nichtlinearen Shunts entwickelt, die, im spannungslosen Zustand einerseits, verschwindendes Leitungsvermögen besitzen - was zu geringer Rückwirkung von Rauscheinflüssen auf Qubits führt - und die, bei hoher Biasspannung andererseits, hohes Leitungsvermögen aufweisen - was noch hinreichend hohe Dämpfung der Josephsonelemente ermöglicht. Wir haben experimentell demonstriert, dass diese Idee mittels Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Tunnelelementen (SIN), denen die Rolle von nichtlinearen Shunts zukommt, natürlicherweise in die Multilayer-RSFQ-Technologie implementiert werden kann. Wir haben zahlreiche einfache Schaltungen mit Nb/AlOx/Nb-Josephson- und Nb/AlOx/AuPt-Shunt-Elementen mit verschiedenen elektrischen Parametern hergestellt und ihre Charakteristiken im Temperaturbereich zwischen 4,2 K und 1,4 K experimentell bestimmt. Die Schaltungen mit hinreichend hoher Dämpfung weisen in diesem Temperaturbereich hysteresefreie Strom-Spannungs-Kennlinien auf (siehe Abbildung). Die bei höheren Spannungen erkennbaren Merkmale werden Josephson-Plasma-Resonanzen in einer zusätzlichen SIS-Struktur zugeordnet, die in unserem Technologieprozess unterhalb des SIN-Elementes gebildet wird. Weitere Untersuchungen zur Optimierung der technologischen Parameter werden durchgeführt.


Strom-Spannungs-Kennlinien einer SIN-Schaltung