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Research Projects - Quantum

While it is said that the progress of conventional computers is reaching its limits, it is essential to be able to respond to the explosion of information processing demands. If we want quantum computing to rapidly solve our numerous and complex social problems, we need a fault-tolerant universal quantum computer that can perform precise computation while correcting quantum errors.

The institute of CMOS design is participating in several state-funded research projects aiming to develop various quantum computing systems. The main focus of our work is to design integrated systems based on BiCMOS and CMOS technologies capable of operating at cryogenic temperatures.

QuMIC (Qubits Control by Microwave Integrated Circuits)

The QuMIC (Qubits Control by Microwave Integrated Circuits) project focuses on the research and development of novel highly integrated BiCMOS chips at high frequencies (>10 GHz) and their hybrid integration with quantum electronics (ion trap and superconductivity chips) towards compact Multi-Chip Modules (MCM). These highly compact, integrated MCMs, intended to operate at a temperature of 4 K, lead to a significant miniaturization (by 8 orders of magnitude!) of the existing high-frequency electronics for driving quantum gates based on trapped ions and superconducting qubits. This approach not only enables the scalability of a quantum computer to a large number of qubits, but it is also a drastic reduction in the necessary high-frequency lines from room temperature to the cryogenic environment.

The Project is divided in two usecases:

Usecase 1 deals with amplitude modulating transmitters for ion-trap-based quantum control in the frequency range of 1 GHz to 13 GHz.

Usecase 2 deals with 100 Gb/s bit pattern generator for interfacing with a quantum accurate Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer.

Contact:
Paul Shine Eugine
Yerzhan Kudabay
 

QVLS - Quantum Valley Lower Saxony
QVLS project Overview and interaction between different teams.
ATIQ - Trapped-Ion Quantum Computer for Applications
atiq_bild1.jpg
Cross-section view of an ion-trap with the contribution of the various partners from academia and industry highlighted. Several different institutes at TUBS are involved within the overall scope of the ATIQ project.

Similar to a classic computer, an ion-trap-based quantum computer can be broken down into multiple regimes such as memory and interaction region. Whereas the memory region stores quantum states, the interaction region is “where the magic happens,” and the ions are manipulated to obtain the desired quantum operation. To transport the ions from one regime to another, the positively charged ions are typically moved through a varying voltage gradient along a column of electrodes. At their destined position, highly accurate confinement in control voltages is required to minimize any disturbance besides the desired quantum operation. This requires very precise and low-noise electronics, only a tight power budget due to the limited cooling power of today’s available cryostats is available.

Hence, within the ATIQ project, the Institute for CMOS Design focuses on developing trap-integrated cryogenic electronics to supply voltages for ion confinement and movement. To be implemented, electronics include but are not limited to Digital-to-Analog converters, amplifiers, filters, and switching matrices to apply the control voltages to the electrodes. In close collaboration with partners from academia and industry, several demonstrators will be developed within this project.

Contact:
Alexander Meyer
Christian Ziegler

CryoSoQ - Kryogene integrierte CMOS-Signalquellen für quantenlimitierte Mikrowellenverstärker

Motivation
Supraleitende parametrische Verstärker im Mikrowellenfrequenzbereich, welche auf Josephson‐Kontakten basieren, können ein so niedriges Rauschen erreichen, dass es nur noch durch das quantenmechanische Limit begrenzt wird. Diese Verstärker müssen in der Regel aber bei Temperaturen von einigen Millikelvin (etwa ‐273 °C) betrieben werden und zur Bereitstellung der Leistung für den parametrischen Verstärkungsprozess werden meist teure, high‐performance Mikrowellengeneratoren genutzt. Diese beiden Einschränkungen begrenzen den Einsatzbereich solcher Verstärkerschaltungen und erschweren eine breite Nutzung für Anwendungen in denen sehr schwache Signale im Mikrowellenfrequenzbereich mit extrem niedrigem Rauschen verstärkt werden müssen. Ein typischer Anwendungsbereich solcher Verstärker sind z.B. Quantencomputer, die auf supraleitenden Qubits basieren.

Ziele und Vorgehen
Ziel von CryoSoQ ist es resonante supraleitende parametrische Verstärker mit kryogener CMOS‐Elektronik zu kombinieren und so erste Schritte zur Lösung der genannten Einschränkungen zu gehen. Zum Projektende sollen eine hochintegrierte CMOS‐Signalquelle und ein parametrischer Verstärker bei einer Temperatur von 4 K (‐269 °C) betrieben und zu einem Modul kombiniert werden.

Innovation und Perspektiven
Die Projektziele von CryoSoQ dienen dazu grundsätzliche Fragen auf dem Weg zu einem hochintegrierten parametrischen Verstärker mit integrierter Signalquelle zu untersuchen. Das Projekt ist thematisch der Hardware für Quantencomputer und Quantentechnologien zuzuordnen. Es soll damit zur Förderung der wirtschaftlichen Umsetzung der Quantentechnologien in Deutschland und der Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit im nationalen und internationalen Markt beitragen.

Chips JU ARCTIC

The ArCTIC project aims to drive significant advancements in the development of scalable microelectronics optimized for operation at cryogenic temperatures, with a primary focus on their integration into various quantum computing systems. Achieving this goal necessitates a multidisciplinary approach. It includes not only materials research of technology process, but also parametric performance of integrated devices at cryogenic temperatures and device modeling based on measurement data.

To address these challenges, the main goal of the project is to develop energy-efficient circuits for cryogenic applications such as low-noise amplifiers, digital to analog converters and high-speed ultralow phase noise microwave generators precisely characterized at an early stage so that they can later be combined into fully functional high-speed transceivers for cryogenic applications.

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