819245 20251021084617.0 978-3-95806-540-6 HBZ HT020932589 Laufende Nummer 40247 datacite_doi 10.18154/RWTH-2021-04930 RWTH-2021-04930 English 621.3 P:(DE-588)1233994042 Geck, Lotte 0 rwth Scalable control electronics for a spin based quantum computer Lotte Geck online, print Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH 2021 114, xxxiii Seiten : Illustrationen, Diagramme 2 EndNote Thesis PUB:(DE-HGF)11 PUB:(DE-HGF) Dissertation / PhD Thesis phd phd PUB:(DE-HGF)3 PUB:(DE-HGF) Book book BibTeX PHDTHESIS DRIVER doctoralThesis DataCite Output Types/Dissertation ORCID DISSERTATION Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information / information 65 Druckausgabe: 2021.- Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University Dissertation, RWTH Aachen University, 2020 Dissertation RWTH Aachen University 2020 Fak06 2020-12-07 online nicht verfügbar ger\$\$xIn den letzten Jahren hat das Thema Quantencomputer (QC) zunehmend an Bedeutung gewonnen und eine steigende Anzahl an Universitäten, Forschungseinrichtungen und Firmen forscht daran. Ein Grund dafür ist das große Potential von Quantencomputern derzeit praktisch unlösbare mathematische Probleme bewältigen zu können. Die Lösung dieser Probleme würde unter anderem große Fortschritte im Bereich Pharmazie, Materialwissenschaften, sicherer Kommunikation und Datenbanken allgemein bedeuten. Die Grundlage der Überlegenheit von Quantencomputern zu heutigen klassischen Computern bilden dabei die quantenmechanischen Eigenschaften der kleinsten QC Recheneinheiten, dem quanten bit (Qubit). Die Ansteuerung und Auslese dieser Qubits ist komplex und empfindlich gegenüber Rauschen aller Art und anderen Störeinflüssen. Für einen universellen, programmierbaren Quantencomputer müssen jedoch mehr als eine Millionen Qubits zusammen geschaltet und kontrolliert werden. Dies ist eine Herausforderung, insbesondere da die Forschung an Qubits bis jetzt eine maximale Anzahl von 53 Qubits in einem Prozessor erreicht hat. Für die Realisierung eines Qubits werden verschiedene Kandidaten in Betracht gezogen. Eine aussichtreiche Realisierungsform sind dabei Qubits auf der Basis von Halbleitermaterialien. Sie speichern Informationen in dem Spin von lokalisierten Ladungsträgern. Die Manipulation des Spins und das damit einhergehende Rechnen ist über elektrische Signale möglich. Ein Nachteil von fast allen Qubit Typen ist die benötigte Betriebstemperatur von unter einem Kelvin. Dies hat zur Folge, dass Qubits nur in speziellen Kühlschränken betrieben werden können, was wiederum die Ansteuerung erheblich erschwert. Aktuell benutzte Standardgeräte zur Erzeugung der notwendigen Kontrollsignale passen nicht in den Kühlschrank und sind auch nicht geeignet für die hohen Qubit Zahlen eines Quantencomputers. Das Ziel dieser Arbeit ist es eine systematische Untersuchung der Skalierbarkeit von Kontrollelektronik auf der Basis von existierender industrieller komplementärer Metall-Oxid. Halbleiter (CMOS) Technologie sowie die Identifizierung möglicher Hindernisse der Skalierbarkeit und notwendiger weiterführende Forschung. Für die Skalierbarkeit werden dabei über die Elektronik hinaus auch insbesondere die Eigenschaften benachbarter Einheiten wie dem Qubit und anderen Teilen des Quantencomputers untersucht. Um diese Ziel zu erreichen wird als erstes ein umfangreiches Schaltungskonzept der Kontrollelektronik entwickelt, welches die Betriebsbedingungen des Qubits mitberücksichtigt. Ein Augenmerk wird dabei zum Beispiel auf eine geringe Datenrate zwischen der Kontrollelektronik und anderen Teilen des Quantencomputers gelegt sowie eine geringe Anzahl an Signalleitungen. Die Spezifikation der Elektronik ist dabei abgeleitet von dem Betrieb von Galliumarsenid Qubits. Das Schaltungskonzept wird mithilfe einer detaillierten Abschätzung der Fläche und der Leistungsaufnahme auf Skalierbarkeit geprüft. Einfluss finden dafür Parameterwerte einer 65nm CMOS Technologie, sowie extrapolierte Werte für kleinere Technologien. Nach der prinzipiellen Feststellung der Skalierbarkeit des Schaltungskonzepts wird ein Verhaltensmodell dessen und der relevanten Eigenschaften der restlichen klassischen Elektronik des Quantencomputers erstellt. Das Modell dient zum einen der Validierung des Schaltungskonzeptes. Zum anderen kann damit der komplette Ablauf einer Rechnung auf einem Quantencomputer nachvollzogen werden. Dabei werden verschiedene Punkte als potentielle Hindernisse der Skalierbarkeit identifiziert, wie unter anderem die Einstellung des Arbeitspunktes des Qubits, die Anpassung der Kontrollsequenzen an individuelle Qubits und die Auslesemethodik. Das Qubit selbst wurde auch als Verhaltensmodell implementiert auf der Grundlage der quantenmechanischen Zustandsbeschreibung. Mit Parameterwerten von Experimenten wurde dazu ein grundlegendes Set an Gattern optimiert. Anhand dieser Gatter wurde dann das Qubit auf die Empfindlichkeit zu verschiedenem Rauschen untersucht. Das Ergebnis war, dass das Qubit im Ganzen sensitiv auf Störungen reagiert, aber das Ausmaß der Empfindlichkeit stark von den Gattern und somit von den angelegten Kontrollsignalen abhängt. Zuletzt wurde das Verhaltensmodell des Qubits mit den relevanten der Elektronik verknüpft und gezeigt dass eine Qubitkontrolle mit dem vorgestellten Schaltungskonzept möglich ist. Darüber hinaus wurde die Auswirkung von realen, fehlerbehafteten Schaltungen auf die Qualität der Qubitrechnung zu untersuchen. Dabei zeigt sich insbesondere ein Qualitätsverlust durch das allgemeine Tiefpassverhalten der Elektronik-Ausgangsstufe. An dieser Stelle, sowie auch an anderen, zeigt sich die Notwendigkeit einer engen interdisziplinären Zusammenarbeit zur Realisierung eines Quantencomputers. eng\$\$xIn the last years, the topic of quantum computing has received increased attention and arising number of universities, research institutes and companies are exploring it. One reason for that is the great potential to solve some of today’s practically intractable mathematical problems. The superiority of quantum computers is based on quantum mechanical effects in the smallest computation unit, the quantum bit (qubit). The operation and readout of these qubits is complex and very sensitive to noise and other disturbances. For a universal, programmable quantum computer qubit numbers in the order of millions need to be operated together which is a great scale up from today’s 53 qubits. For a qubit several different implementations exist and one promising candidate type are qubits made out of semiconductor materials. They typically store information in the spin of localized charge carriers. The manipulation of that spin and the corresponding computation is possible through electrical signals. However, due to the operation requirements of the qubit the electronic-qubit interface is very complex and current control methods are not feasible for large qubit numbers. The goal of this work is a systematic study of the scalability of integrated control electronics based on existing, industrial complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Included in this goal is also the identication of potential hindrancesto the scalability and necessary subsequent research and the interaction of the electronics with other parts of the quantum computer. In this work, the so called gallium-arsenideS-T qubit is used as a reference and most of the technology parameter values take a65 nm CMOS process into account. In a first step, a control concept for the qubits was developed and its scalability judged on the estimated area and power consumption of the integrated circuit. Next to the65nm technology parameter values, also extrapolated values for smaller nodes were used. Results show that the main hindrance to scalability is the power consumption of the electronics and in order to scale up to millions of qubits technology advancements are necessary, among others. In the more near term application technologies with low digital supply voltage are promising. The second step was to derive a behavioral model not only of the electronic control concept but the interface to the rest of the quantum computer and the qubit, as well. Simulations of the complete system show that the electronics concept works as designed and qubit control is possible. The interaction of the different units also highlights that processes critical to the scalability are for example the measurement and the adaption of pulse sequences to each individual qubit. In order to test the effect of imperfect electronics on the operation a qubit, several exemplary qubit gates and the corresponding voltage pulse sequences were defined. On these gates effects like interferer signals or process variations were tested. For the simulated quality of qubit gates, the outcome is that for high precision computation aco-optimization of pulse sequences and electronics is vital. Thus, a tight interdisciplinary cooperation is advisable. Overall, the developed behavioral model is a good tool for further investigation of scalability issues and electronic-qubit interaction. Dataset connected to Lobid/HBZ Germany electronics integrated circuits modeling quantum computing qubits P:(DE-82)IDM01258 Heinen, Stefan 1 Thesis advisor rwth P:(DE-82)202137 van Waasen, Stefan 2 Thesis advisor P:(DE-82)IDM00099 Bluhm, Jörg 3 Thesis advisor rwth http://publications.rwth-aachen.de/record/819245/files/819245.pdf OpenAccess oai:publications.rwth-aachen.de:819245 openaire open_access driver dnbdelivery VDB I:(DE-588b)36225-6 P:(DE-588)1233994042 RWTH Aachen 0 RWTH I:(DE-588b)36225-6 P:(DE-82)IDM01258 RWTH Aachen 1 RWTH I:(DE-588b)36225-6 P:(DE-82)IDM00099 RWTH Aachen 3 RWTH 2021 LIC:(DE-HGF)CCBY4 HGFVOC Creative Commons Attribution CC BY 4.0 StatID:(DE-HGF)0510 StatID OpenAccess I:(DE-82)616110_20140620 616110 Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen und Institut für Halbleitertechnik 0 FullTexts I:(DE-82)616110_20140620 UNRESTRICTED VDB book phd