Eiskalte Elektronik für Quantentechnologien

Die Nachfrage nach Elektronik, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeitet, wächst. Besonders im Bereich der Quanten­technologien gewinnt sie zunehmend an Bedeutung. Daher startete zu Beginn des Jahres das Projekt „Condor“. Dabei arbeiten das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden und das Max-Planck-Institut für Mikrostruktur­physik in Halle an innovativen spinbasierten Logik- und Speicher­kompenenten, welche bei niedrigen Temperaturen zuverlässig funktionieren.

Die Bedeutung kryogener Elektronik hat in den letzten Jahren aufgrund des Interesses an der Entwicklung von Quantencomputer­technologien, sowie für den Einsatz in anderen Bereichen erheblich zugenommen. Bei den Quanten­technologien ist es häufig erforderlich, die Quantenbits auf kryogene Temperaturen zu kühlen, um ihre Stabilität zu verbessern. Daher ist es wichtig, elektronische Komponenten zu entwickeln, die bei solchen niedrigen Temperaturen arbeiten können, um eine zuverlässige Leistung zukünftiger Quantencomputer­systeme zu gewährleisten.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden und das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik (MSP) in Halle arbeiten seit Anfang des Jahres im Projekt „CONDOR - Super­conducting spintronic devices for cryogenic electronics“ zusammen. Das Kooperations­programm verbindet die exzellente Material- und Bauelemente-Expertise und das tiefe Verständnis spinbasierter Phänomene in der Gruppe von Stuart Parkin am Max-Planck-Institut mit den anwendungs­orientierten Forschungs- und Infrastruktur­kapazitäten des Fraunhofer IPMS. Die neuartigen kryogenen Komponenten, die in dem dreijährigen Projekt entwickelt werden sollen, werden supraleitende energie­effiziente Elektronik für supraleitende Computersysteme sowie für die Integration in zukünftige Quantencomputer­systeme ermöglichen.

„Condor kombiniert die Expertise in spintronischen und supra­leitenden Materialien und Bauelementen am Institut für Mikrostruktur­physik mit der Logik-, Speicher- und 300-mm-Wafer-Integrationskompetenz des Fraunhofer IPMS“, sagt Parkin. Benjamin Lilienthal-Uhlig vom Fraunhofer IPMS ergänzt: „Das Fraunhofer IPMS und das Max-Planck-Institut für Mikrostruktur­physik haben bereits erfolgreich im RASCAL-Projekt zusammen­gearbeitet, in dem neuartige spintronische Speicher­bauelemente entwickelt wurden, die bei Raumtemperatur arbeiten. Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Bestandteil des Condor-Projekts.“

Im Projekt soll ein neuartiger supraleitender Transistor entwickelt werden, der in kryogenen Logik- und Speicher­elementen eingesetzt werden kann. Der Transistor wird aus einem schmalen supraleitenden Draht gebildet, an den eine Gate-Spannung angelegt wird. Im Rahmen des Projekts soll zunächst die Ursache für die Unterdrückung der Supraleitung in solchen Nanodrähten entschlüsselt werden, um dann supraleitende Feldeffekt­transistoren sowohl in lateraler als auch in vertikaler Geometrie zu entwickeln, die bei CMOS-kompatiblen Spannungen arbeiten. Schließlich sollen diese kryogenen Transistoren sowohl als logische Elemente als auch als Schalter für den Zugriff auf magnetische Speicher­elemente eingesetzt werden, um kryogene nicht­flüchtige Speicher mit geringem Stromverbrauch zu ermöglichen. 

Bei den Speicher­bauelementen handelt es sich um „magnetic tunnel junctions“, die speziell für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen entwickelt werden. Diese neuartigen kryogenen Logik- und Speicher­bauelemente werden somit kryogene elektronische Chips ermöglichen, die supraleitende Materialien und Phänomene nutzen. Am Ende des Projekts ist die Realisierung von Komponenten auf der Grundlage supraleitender Nieder­energie-Elektronik, die im Wafer-Maßstab für supraleitende Rechensysteme sowie für zukünftige  Quantencomputer­systeme verwendet werden können.

MPS / JOL