Entwicklung supraleitender Qubits
Die Merkmale, welche die Quantenmechanik im Vergleich zu unseren Erfahrungen mit herkömmlichen Computern so unheimlich und wunderbar machen, ermöglichen unter Umständen revolutionäre Anwendungen. In Zukunft könnte es eine neue, auf Forschungsarbeiten im Bereich Informationsverarbeitung gemäß der elementaren Grundlagen basierende Quanten-Informationstechnologie geben. Intensive Forschungsarbeiten im Rahmen des SQUBIT-2-Projektes hatten die Manipulation von Quanteninformationen mit Halbleitersystemen, supraleitenden elektronischen Schaltkreisen, zum Ziel. Derzeit erfolgt die Manipulation von Informationen hauptsächlich digital und die Daten werden in Form von Bits verarbeitet und gespeichert. Die zwei Zustände eines herkömmlichen Bit können in unterschiedlichen Formen dargestellt werden, beispielsweise als zwei unterschiedliche Spannungen an einem Transistor auf dem Chip. Aktuelle Entwicklungen im Bereich Nanotechnologie ermöglichen jedoch die Konstruktion supraleitender Schaltkreise mit kleinen Tunnelübergängen, die die Manipulation von Single Cooper-Paaren und den Aufbau von Quantenbits ermöglichen. Das Energieniveau von Qubits hängt vom Zusammenspiel zwischen Ladeenergie eines Single Cooper-Paars und der Energie ab, die den Tunnelübergang von Cooper-Paaren über Josephson-Kontakte bestimmt. Der Einsatz von Niob (Nb) in ultrakleinen Tunnelübergängen war die Herausforderung für die SQUBIT-2-Projektpartner an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Die Verwendung von Niob anstellt des bisher verwendeten Aluminiums (Al) schien vielversprechend. Es hat sich gezeigt, dass die Arbeitsfrequenz von Quantencomputern mit supraleitenden Schaltkreisen mit Nb-basierten Tunnelübergängen erhöht werden kann. Josephson-Kontakte mit linearen Abmessungen von nur 70nm wurden aus standardmäßigen Nb/Al-AlOx/Nb-Trilayern gefertigt. Um die Einschränkungen herkömmlicher Schattenbedampfungstechniken zur Fertigung Al-basierter Tunnelübergänge im Sub-µm-Bereich zu überwinden, wurde ein alternativer Fertigungsprozess vorgeschlagen und optimiert. Elektronenstrahllithografie, Trockenätzen sowie Anodisieren und Planarisieren durch chemisch-mechanisches Polieren wurden gemeinsam für die Fertigung hochwertiger Tunnelübergänge genutzt. So wurde das erwartete Verhältnis zwischen Ladeenergie der Cooper-Paare und Energie des Josephson-Kontaktes erreicht. Ziel weiterer Forschungsarbeiten ist die Verbesserung der Kohärenzzeit von Qubits mit Nb-basierten Kontakten. Bildunterschrift: SEM-Mikrobild eines Zwischenschritts bei der Fabrikation eines Gerätes mit vier Nb/AlOx//Nb-Verbindungen im Submikrometerbereich.
