DE102022118617A1 - Aufbau- und Verbindungstechnik für eine NV-Zentren basierende quantentechnologische Vorrichtung - Google Patents
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung für eine quantentechnologische Vorrichtung mit einem Diamantsubstrat Dia, das ein NV-Zentrum NV und mehrere13C-Isotope13C umfasst. Mehrere Leitungen (VL1, VL2, HL1, HL2) auf dem Diamantsubstrat Dia steuern den Zustand des NV-Zentrums NV. Ein Lasersystem LS pumpt das NV-Zentrum NV mit Pumpstrahlung LB. Die Offenlegung umfasst auch verschiedene Aufbau- und Verbindungstechniken und eine Anbindung an das Internet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Quantenoperationen und Quantengattern sowie deren Teilvorrichtungen und Verfahren zu deren Herstellung.
- Hintergrund und Stand der Technik
- Die meisten Gate-basierten NISQ-Quantencomputerprojekte basieren heute auf einer Art Mainframe-System und erfordern ausreichend große Infrastrukturen. Im Folgenden werden Quantenbits als Qubits bezeichnet. Referenzen werden im Folgenden mit „//“ markiert. Eine Festkörper-Spin-basierte Quantencomputer (QC)-Architektur, die ein synthetisches Diamantmaterial verwendet, bietet dagegen einen alternativen Ansatz (1): Festkörper-Qubits als Quantenbits in Diamant als Einbettungsmaterial der Qubits haben zudem den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu anderen bekannten Technologien bei Raumtemperatur betrieben werden können und den Aufbau eines infrastrukturunabhängigen und mobilen QC-Prozessors erlauben, da sie hochintegrierte Systeme ermöglichen. Solche Quantencomputer (QC) könnten offline zur Optimierung komplexer Produktions- und Logistikprozesse oder auch in mobilen Anwendungsfällen wie autonom fahrenden Autos eingesetzt werden /1/. Als Qubits dienen Kernspins des Isotops 13C, die in entsprechender Dichte in hochwertigem Diamantmaterial vorkommen und sich durch außergewöhnliche Stabilität mit langen Kohärenzzeiten auszeichnen. Diese lange Kohärenzzeit ermöglicht die Ausführung einer größeren Anzahl an Quantenoperationen als in anderen Quantencomputern, deren zugrunde liegende technische Lehre auf anderen Prinzipien beruht. Über ein einzelnes Stickstoff-Fehlstellenzentrum (NV) ist die Kopplung an bis zu fünf Kernspins bei Raumtemperatur möglich, diese Struktur wird in dieser Schrift als „Q-Node“ bezeichnet. Benachbarte NV-Zentren sind über die Dipol-Dipol-Wechselwirkung gekoppelt und ermöglichen so die Verschränkung verschiedener Qubits, die diese NV-Zentren umfassen.
- Während jedoch im Laborbereich NV-Quantensysteme mit 5 bis 10 gekoppelten Qubits /2/ /3/ bereits erfolgreich mit respektablen Benchmarks demonstriert wurden, fehlte eine Roadmap zur Hochskalierung dieser Systeme aus zwei Hauptgründen: Zum Ersten fehlte das Produktionskonzept für die zuverlässige und reproduzierbare Erzeugung von NV-Zentren on-demand mit hoher Ausbeute und langer Kohärenzzeit /1/. Dies wird nun durch einen Schwefel-Ko-Implantationsprozess gelöst, der die Ausbeute für die deterministische Erzeugung von NV-Zentren um den Faktor 10 von 7% auf >75% erhöht; dies ist der alles entscheidende Schritt zur Ermöglichung einer industriellen Verwertung und Produktion /4/. Zweitens sind die optische Adressierbarkeit und das Auslesen einzelner NV-Zentren aufgrund der Auflösungsgrenzen von Lichtmikroskopen begrenzt. Die hier vorgeschlagene technische Lehre nutzt die photoelektrische Auslesung /5/ . Die im Folgenden beschriebene technische Lehre skaliert eine QC-Prozessor-Konstruktion zu einem industrialisierten tragbaren Quantencomputer, der bei Raumtemperatur mit mehr als 24 Qubits arbeitet. Des Weiteren offenbart die hier vorgeschlagene technische Lehre einen Vorschlag für ein Verfahren zur schrittweisen Entwicklung eines Quantencomputers mit mehr als 1000 Qubits.
- Das hier vorgeschlagene entsprechende Verfahren umfasst in einem ersten bevorzugten erfindungsgemäßen ersten Schritt die Entwicklung eines Quantencomputer mit mehr als 8 Qubits, besser mehr als 24 Qubits. Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Entwicklung eines Quantencomputers bevorzugt die Entwicklung von Quantenalgorithmen mit vollparallelen 2-Qubit-Gatteroperationen mit einer Wiedergabetreue (Fidelity) besser als 90%, bevorzugt besser als 95%, noch mehr bevorzugt besser als 97%, ganz besonders bevorzugt besser als 99%. Optimal ist eine Wiedergabetreue besser als 99,5%. Die Wiedergabetreue (Englisch Fidelity) wird dabei wie in Martin Hendrych, Miloslav Dusek, Radim Filip, Jaromir Fiurasek „Simple optical measurement of the overlap and fidelity of quantum states: An experiment“ Phys. Lett. A 310, 95 (2003), DOI: 10.1016/S0375-9601(03)00262-7, arXiv:quant-ph/0208091, beschrieben gemessen. Die Quantenalgorithmen weisen dabei eine Auslesetreue für alle Qubits besser als 90%, bevorzugt besser als 95%, noch mehr bevorzugt besser als 97%, ganz besonders bevorzugt besser als 99%. Optimal ist eine Auslesetreue (Fidelity) besser als 99,5%. Die Auslesetreue wird dabei wie in Martin Hendrych, Miloslav Dusek, Radim Filip, Jaromir Fiurasek „Simple optical measurement of the overlap and fidelity of quantum states: An experiment“ Phys. Lett. A 310, 95 (2003), DOI: 10.1016/S0375-9601(03)00262-7, arXiv:quant-ph/0208091, beschrieben gemessen.
- Erfindungsgemäß weist der resultierende Quantencomputer bevorzugt eine kompakte, raumtemperaturtaugliche Konstruktion mit einer drahtlosen oder drahtbasierenden Anbindung an ein Netzwerk, bevorzugt ein Internet oder Intranet-System auf. Eine solche drahtlose Verbindung kann beispielsweise über Bluetooth, WLAN, Mobilfunknetze oder dergleichen, Sateliten gestüzt, mittels akustischer oder optischer oder sonstiger elektromagnetischer Signalisierung erfolgen. Bevorzugt erfolgt eine Datenverbindung des Quantencomputers mit einem Cloud-System im HPC/QC-Hybrid-Modus mit Fernzugriff.
- Da keine Kühlung erforderlich ist, schlägt diese Schrift eine Integration der wesentlichen Komponenten in der Art vor, dass diese Integrationsform hohe Datenraten und eine geringe EMV-Abstrahlung von einem Silizium (Si)-Rahmen zu einem Leiterplatten (PCB)-Design ermöglicht. Hierzu kommen bevorzugt insbesondere Mikrostripleitungen, Wellenleiter oder dergleichen zum Einsatz. Diese Schrift schlägt ein miniaturisiertes Embedded-Wafer-Level-Ball-Grid-Array (eWLB) als Basis der vorgeschlagenen Konstruktion sowie en geeignetes ein Gehäuse vor. Darüber hinaus ermöglicht ein Hardware/Software-Co-Design im Rahmen der Entwicklung eine frühe Implementierung und Anwendung zur Lösung von Problemen in verschiedenen Bereichen wie z.B. in Lieferketten, insbesondere automobilen Logistikproblemen und pharmakologischen Problemstellungen.
- Eine einfache Übersicht über Quantengatter findet man beispielswese unter https://de.wikipedia.org/wiki/Quantengatter. Die englische Version des Artikels unter https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_logic_gate listet auch wesentliche Quantenoperationen wie Hadamard, CNOT, CCNOT etc. auf.
- Aus der
US2020284862A1 ist ein PULSE SEQUENCE DESIGN PROTOCOL zur Ansteuerung von NV-Zentren bekannt. -
US10371760B2 - Aus der
WO 2021 083 448 A1 ist eine NV-Zentren basierende Vorrichtung bekannt. - Aus der
WO 2020 260 640 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von NV-Zentren bekannt. - Aus der
WO 2021 018 654 A1 ist ein Verfahren zur Adressierung von Qbits bekannt. - Zusammenfassung der Erfindung
- Aufgabe der Erfindung war es die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
- Im Folgenden wird die zentrale technische Lehre erläutert, um nahezu deterministische NV-Zentren zu generieren, auf nanoskaliger Ebene darauf zuzugreifen, sie auszulesen und in ein Hardware (HW) / Software (SW) Co-Design in das erfindungsgemäße Quantencomputersystem einzubetten sowie das Gehäuse zu integrieren und zu miniaturisieren.
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2 zeigt die grundsätzlichen Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens zur Entwicklung und Fertigung eines vorgeschlagenen Quantencomputersystems.9 stellt eine bespielhafte erfindungsgemäße Lieferkette für die erfindungsgemäßen Quantencomputersysteme dar. - Eine erste Schrittfolge befasst sich mit der Herstellung eines geeigneten Materials für die Herstellung des Kerns des vorgeschlagenen Quantencomputersystems, dem Diamantmaterial mit den NV-Zentren. Diese vorgeschlagene Schrittfolge beginnt bevorzugt mit der Bereitstellung handelsüblicher Diamanten und endet bevorzugt bei Diamanten mit präparierten, nahfeldkontrollierten NV-Zentren. Nach der Bereitstellung geeigneter, kommerziell erhältlicher synthetischer Diamanten erfolgt eine Qualitätsprüfung. Bevorzugt handelt es sich bei den Diamantplatten um electronic grade, ca. 50 µm dicke Diamant platten. Andere Dicken sind ausdrücklich möglich. Mittels eines CVD-Prozesses scheidet eine CVD-Anlage in einem nachfolgenden Schritt eine bevorzugt dünne, bevorzugt möglichst reine CVD-Diamantschicht mit technischem 13C-Gehalt auf der Oberfläche ab. Es folgt dann die Vorbereitung der Diamantplatten für die Implantation und Nanostrukturierung. Eine lonenimplantationsanlage implantiert Schwefelatome in das Diamantmaterial. Nach einer Wärmebehandlung führt eine Implantationsanlage eine-Stickstoff-Implantation durch, die zusammen mit einer weiteren Wärmebehandlung zur Erzeugung der NV-Zentren im Diamanten dient. Sogenannte Q-Node-Strukturen sind das Ergebnis dieser Implantation. Erfindungsgemäß erfolgt dann bevorzugt die Strukturierung von Nanosäulen, die bevorzugt die gebildeten Q-Node-Strukturen umfassen. Bevorzugt erfolgt dann eine weitere Qualitätskontrolle. In einem weiteren Schritt erfolgt eine Metallgitterpräparation. Dann ist das Diamantsubstrat, das die Q-Node-Strukturen umfasst, bereit für den nächsten großen Prozessschritt, die Silizium-Rahmen-Integration.
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2 zeigt die Herstellung von Q-Node-Strukturen in vorgeschlagenen fünf verschiedenen Entwicklungsschritten: Das vorgeschlagene beispielhafte Entwicklungsverfahren zur Entwicklung eines beispielhaften Diamant basierenden Basisbauteils für einen beispielhafte Quantencomputer beginnt mit einem planaren Bauelement aus Diamant mit einem einzelnen NV-Zentrum (2a) . In einem zweiten Entwicklungsschritt erfolgt die weitere Implementierung einer optischen ResonatorStruktur (2b) in einem weiteren Entwicklungsschritt erfolgt das Aufbringen eines Metallgitters aus parallelen Leitungen gleicher Ausrichtung auf der Oberfläche des Diamanten mit einem beispielhaften Abstand von Leitung zu Leitung von bevorzugt 50nm. (2c ). Ein weiterer Schritt der vorgeschlagenen Entwicklung steigert dies durch Herstellung eines Arrays von 2x2 Q-Nodes (2d ). Ein weiterer fünfter Entwicklungsschritt steigert die Komplexität der Komponente mittels eines das Q-Node-Arrays, das mit einem interdigitalen vertikalen und horizontalen Metallgitter zum schnellen elektrischen Auslesen (2e) versehen ist. Bevorzugt liegt der Abstand der Metallleitungen des Metallgitters bei ca. 10nm. Die Metallleitungen befindenden sich bevorzugt auf der Oberfläche des Diamanten und sind bevorzugt fest mit der Oberfläche des Diamanten verbunden. Bevorzugt befinden sich die Metallleitungen einer ersten Orientierung in einer ersten Metallisierungsebene und die Metallleitungen einer zweiten Orientierung, die von der ersten Orientierung verschieden ist, in einer zweiten Metallisierungsebene. Die Metallleitungen der ersten Metallisierungsebene sind bevorzugt von den Metallleitungen der zweiten Metallisierungsebene bevorzugt durch eine Isolationsschicht elektrisch isoliert, wenn Durchkontaktierungen in dieser Isolationsschicht Leitungen der ersten Metallisierungsschicht nicht mit Leitungen der zweiten Metallisierungsschicht verbinden. - Diamantsubstratvorbereitung
- Zur Herstellung der vorgeschlagenen Diamantsubstrate erfolgt eine Diamantsubstratvorbereitung vor dem epitaktischen Überwachsen der Diamantoberfläche des Diamantsubstrats mit CVD Diamantmaterial: Eine chemische Reinigung und eine Plasmareinigung reinigen in einem ersten Schritt der Probenvorbereitung polierte Diamantplatten, die als Diamantsubstrat dienen. Ein induktiv gekoppeltes Plasma-Reaktiv-lonen-Ätzen (ICP-RIE) trägt beispielsweise einige Mikrometer von der Vorderseite der als Diamantsubstrat dienenden Diamantplatten ab. Dieses Abtragen entfernt potenziell beschädigtes Diamantmaterial, das beim Schneiden und Polieren des Diamantsubstrats entstanden ist und zu Spannungen in der obersten Schicht des Diamantmaterials des Diamantsubstrats führt und das die die Eigenschaften der flach in dem Diamantsubstrat in 10nm-20nm Tiefe implantierten NV-Zentren verschlechtert. Das Ätzen glättet die Diamantoberfläche des Diamantsubstrats zusätzlich (rms-Rauheit von 0,5 nm oder weniger /2/).
- Nanoskaliges Engineering des Diamantmaterials des Diamantsubstrats
- Neue Messungen führen zu der Vermutung, dass der Wasserstoffgehalt in Diamant die Kohärenzstabilität (T2-Zeiten) und die Konversionseffizienz zur Erzeugung eines NV-Zentrums beeinflusst. Der Wasserstoff kann während des Ausglühens des Diamantsubstrats in Diamant diffundieren. Das NV-Zentrum wirkt dabei als eine Falle für Wasserstoff /4/. Durch diese Anlagerung passiviert der Wasserstoff das NV-Zentrum im Diamantsubstrat vermutlich zu NVH. Entsprechend der hier offengelegten technischen Lehre wird das Diamantsubstrat optional mit einer 12C-Diamantschicht als epitaktischer Diamantschicht auf der Oberfläche des Diamantsubstrats mit einem geringen H-Gehalt und einem variablen Anteil an 13C-Verunreinigungen mit definierter mechanischer Spannung beschichtet. Das Kohlenstoffisotop 13C liefert den Kernspin für die Ausbildung der späteren nuklearen Quantenbits der Q-Nodes. Die 13C-Kohlenstoffisotope beeinflussen aber auch die T2-Zeiten der NV-Zentren. Daher ist ein Kompromiss zwischen hohem und niedrigem 13C-Gehalt notwendig, der einerseits für viele Kerne und damit nukleare Spins sorgt, die an ein NV-Zentrum koppeln können, bzw. andererseits für ausreichend lange T2-Zeiten sorgt. Ein Gehalt von 3%-5% (Atomprozent) 13C Isotopen in der abgeschiedenen Diamantschicht scheint optimal zu sein und ist daher bevorzugt.
- Implantation und Tempern zur Erzeugung von NV-Zentren
- Für die Herstellung einer einfachen Variante der herzustellenden Vorrichtung (2 Q-Nodes: 8 Qubit-System mit 2 NV-Zentren) implantiert ein Beschleuniger durch Verwendung des Dotierstoffs N2 durchgeführt. Der Beschleuniger implantiert also Stickstoffmoleküle in die vorbereitete Oberfläche des Diamanten. Diese Methode erlaubt die Erzeugung einer großen Anzahl von Paaren von NV-Zentren in einer Tiefe und auch einem lateralen Abstand von 10-20 nm, optimiert für eine Dipol-Dipol-Kopplung mit hoher Konversionsrate /1/. Die n-Typ Hintergrunddotierung des entsprechenden Implantationsbereiches auf der Oberfläche des Diamanten führt zu einer stabileren Negativladung der NV-Zentren und zu einer Verbesserung der T2-Zeiten. Die Verwendung von Schwefel als Hintergrunddotierstoff steigert die Ausbeute der tatsächlichen NV-Zentrumserzeugung bezogen auf die Menge implantierter Stickstoffatome um eine Größenordnung auf 75%. Die Ausbeute der NV-Zentren liegt oberhalb der Perkolationsschwelle in einem 2D-Gitter. In der Folge erhält man sehr große zusammenhängende Cluster, wenn man NV-Zentren in Form eines sehr großen Arrays anordnet. Ein 4 Q-Node Array (24 Qubits mit 4 NV) kann beispielsweise durch Einzel-N-Implantationen mit einem jeweiligen Abstand von 20 nm unter Verwendung einer Kontaktmaske hergestellt werden.
- Post-Implantations-Prozessierung der nanophotonischen Strukturen
- Nach der Implantation und dem Annealing (Tempern) zur Erzeugung der NV-Zentren strukturiert beispielsweise ein Plasmaätzprozess die Arrays von Nanosäulen, um die Photonensammeleffizienz zu verbessern und eine effiziente Auskopplung aus der Null-Phononen-Linie (ZPL) der Farbzentren zu erreichen /5,6,7/. Diese Strukturierung erfolgt in der Weise, dass die sich ergebenden Nanosäulen die gefertigten NV-Zentren und Q-Nodes in ihrer vertikalen Längsachse aufweisen oder die sich ergebenden Nanosäulen die gefertigten NV-Zentren und Q-Nodes in der Nähe ihrer vertikalen Längsachse aufweisen. Die so gefertigten Nanosäulen stellen einen optischen Resonator dar, der mit den NV-zentren der Q-Nodes in Wechselwirkung tritt. Dieser Resonator erhöht die Photonenausbeute um einen Faktor 10, wie in
4 gezeigt. Beispielsweise ein Elektronenstrahllithographieprozess (EBL) und beispielsweise ein ICP-RIE-Prozess stellen die Nanosäulen mit den gewünschten Durchmessern, Höhen und Mittenabständen her. Eine Oberflächenplasmamodifikation erzeugt anschließend eine Oberflächenplasmamodifikation, um eine O- oder F-Terminierung zu erreichen, was zu einer maßgeschneiderten Biegung der Bandkante des Energiebandschemas des Diamantmaterials führt, die den negativen Ladungszustand der flachen NV-Zentren innerhalb des Diamanten stabilisiert. - Nanolithographie zur Adressierung einzelner Q-Nodes
- Um die Kopplung des Elektronenspins eines NV-Zentrums an den Kernspin der 13C-Qubits sowie die magnetische Dipol-Dipol-Kopplung benachbarter NV-Zentren zu initiieren und so die Verschränkung zu erzeugen, ist es notwendig, dass ein dediziertes HF-Signal einzelne Q.Nodes ansprechen kann. Die Die Dimensionen der entsprechenden elektrischen Wellenleiter der HF-Signale und Mikrowellensignale für die optische Auslesung liegen bei 20 nm. Das photoelektrische Auslesen erfordert Metalllinien für die elektrischen Zuleitungen des HF- und Mikrowellensignals mit Strukturgrößen von 10-15 nm. Dies ist in
3 dargestellt. Der Konstruktionsprozess nutzt lithografische Prozesse, um das entsprechende Metallgitter z.B. mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie zu entwerfen. Der Konstruktionsprozess des Metallgitters verwendet hierzu eine ultrascharfe elektronenemittierende Spitze, die die Erzeugung von Metalllinien mit einer Größe von nur 5 nm /6/ ermöglicht. - Integration von Q.-Nodes in einen Si-Frame
- Der folgende Abschnitt erläutert die Integration von Q-Nodes in einen Si-Frame (a) für den Laserzugang, den Mikrowellenzugang (MW) und das optische und elektrische Auslesen. Darüber hinaus erläutert er die nächsten Schritte für die Leiterplattenmontage (b) und die weiter miniaturisierte eWLB-Integration (c) und die Gehäuseerstellung für das Gesamtproduktdesign für Fernzugriff mit Cloud-Anbindung im HPC/QC-Hybridbetrieb.
- Schrittweise Erhöhung der Integrationskomplexität und Anzahl der Qubits.
- (a) Silizium-Rahmen-Integration:
- 3D-strukturierte Siliziumrahmen stellen eine hervorragende Möglichkeit dar, das Diamantsubstrat mit integrierten Q-Nodes aufzunehmen. Solche Silizium-Rahmen können durch die Integration von Vias für entweder Metallisierung und/oder hochpräzise optische Faserunterstützung funktionalisiert werden. Diese Technologie wird bereits vielfach für Quantensensorik eingesetzt /7/ /8/ /9/. Diese Technologie findet erstmals hier im Zusammenhang mit einem Quantenprozessor Anwendung.
- (b) Miniaturisierung durch Design von integrierten Schaltungen und System on Board:
- Der nächste Integrationsschritt ist die PCB/Keramik-Interposer-Integration. Ausgehend von einer labortypischen Integrationsebene mit vielseitigen Laborkomponenten müssen diese Komponenten als diskrete miniaturisierte Elemente in die integrierten Schaltungen implementiert werden, was die Miniaturisierung des gesamten Systems ermöglicht und den Weg für die Skalierbarkeit in Richtung einer hohen Anzahl von Qubits ebnet. Dies gehört zu den folgenden Komponenten: HF-Synthesizer, Impulsgenerator, TTL-Impulszähler, TTL-Impulszeitauflösungszähler; Netzteile, MW-Schalter. Der MW-Synthesizer (Arbiträrwellenform-Generator 1-4 GHz) und MW-Leistungsverstärker (bis 33 dBm) sind bevorzugt in diesem Frequenzbereich in der BiCMOS-Technologie ausgeführt.
- (c) Miniaturisierung durch eWLB:
- Das eingebettete Wafer Level Ball Grid Array (eWLB) ermöglicht eine Integration elektrischer Komponenten mit einer Pitchbreite von bis zu 1 µm (siehe
6 ). Die eWLB-Gehäusetechnologie bettet den Die in ein Mold-Compound ein, bevor der Herstellungsprozess eine dielektrische Schicht und eine oder mehrere Umverteilungsschichten aufbringt. Der Fertigungsprozess erzeugt die endgültige Verbindung typischerweise durch das Aufbringen von Lotkugeln, was zu einem BGA-Gehäuse führt. Aufgrund der Umverteilungsschichten ist eWLB die am besten geeignete Gehäusetechnologie für mmWave-Anwendungen und optional für die elektrische und magnetische Optimierung und Abschirmung. eWLB ist vorteilhaft für einen kommerziellen Prototyp.
- Das eingebettete Wafer Level Ball Grid Array (eWLB) ermöglicht eine Integration elektrischer Komponenten mit einer Pitchbreite von bis zu 1 µm (siehe
- (d) Gehäusebau
Das gesamte Design benötigt ein endgültiges Gehäuse für die Zwischenkomponente und für die endgültige PCB/eWLB-Komponente. Die Konstruktion des Gehäuses und die Implementierung der mechatronischen Komponenten für die endgültige Anwendung wird von einem infrastrukturunabhängigen und mobilen Quantencomputer inspiriert. Das Gehäuse beherbergt den QC-Prozessor (siehe
5 ) sowie die Temperatur- und parasitäre Magnetfeldsteuerung, elektrische und optische Verbindungen, Stromversorgung, Benutzerschnittstelle, drahtlose Netzverbindung (5G) und optionale optische Komponenten. - Steuerung der Qubits
- Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Verfahren zur Kontrolle von bis zu 4 gekoppelten Qubits (ein NV und 3 Kernspins) bekannt /7//8/ . Die Kopplung, Steuerung und Auslesung von zwei Dipol-Dipol gekoppelten NVs zum Betrieb von 2-Qubit-Gattern wurde auf unterschiedliche Weise realisiert /3/: Die Universität Delft zeigte kurz vor der Anmeldung der hier vorgelegten Schrift die vollständige Kontrolle von 10 im Zusammenwirken mit einem NV-Zentrum (T2 ~ 1 Minute bei 4K (2)). Bei Raumtemperatur müssen die Kernspins stark an die NV gekoppelt sein (kHz-MHz), um ausreichend kurze Gate-Zeiten zu erreichen, da die T2-Zeit selbst für Kernspins im Bereich von ms liegt. Die T2-Zeiten hängen mit der Dichte der 13C-Isotope im Diamanten im Umfeld der NV-Zentren zusammen. Eine CVD-Epitaxie einer isotopen-kontrollierten Diamantschicht kann diese der Dichte der 13C-Isotope im Diamanten im Umfeld der NV-Zentren in dieser isotopenkontrollierten Diamantscht deutlich erhöhen.
- Fernfeldsteuerung, (2 Q.Nodes: 2 NV und 6 Kernspins)
- Unterschiedliche Orientierungen der NV-Zentren ermöglichen die individuelle Ansteuerung zweier miteinander gekoppelter NV-Zentren. Das Anlegen eines Magnetfeldgradienten ermöglicht die selektive Adressierung des Elektron-Spin-Qubits jedes NV-Zentrums mittels selektiver Ansteuerung im Frequenzraum, was für eine Steuerung eines 8-Qubit-Systems mit 2 NVs ausreicht. Die Anwendung dynamischer Entkopplungstechniken ermöglicht es, die Qubits zu trennen und im Ruhezustand zu halten /9/.
- Nahfeldsteuerung: (4 Q.Nodes: 4 NV und 20 Kernspins)
- Für die Realisierung eines 24+ Qubit-Systems wird ein darüber liegendes Nanodrahtgitter über den Q-Nodes zur individuellen Ansteuerung und parallelen Adressierung von Qubits. Wichtig ist im Folgenden, dass nur die magnetische Feldkomponente des HF- oder MW-Feldes mit dem Spinzustand wechselwirkt und die elektrische Komponente vernachlässigt werden kann. Das nanolithographisch erzeugte Metallgitter erlaubt die Anwendung von elektromagnetischen AC- und DC-Feldern zur Steuerung und Ansteuerung der Qubits. Da die dipolare Wechselwirkung mit (1/r)3 abnimmt, besteht eine wesentliche Herausforderung darin, ein unerwünschtes Übersprechen auf nicht benachbarte Qubits zu vermeiden. Das Magnetfeld der Nanodrähte ist proportional zu 1/r, dies gilt sowohl für Gleich- als auch für Wechselfelder, also auch für MW- oder HF-Pulse. Der nächste Nachbar wird also nicht beeinflusst, obwohl die Wellenlänge viel größer als der Abstand ist. Folgende Methoden können ein Übersprechen zwischen den nächsten Nachbarn potenziell vermeiden:
- 1. Die Ansteuervorrichtung erzeugt einen zusätzlichen DC-Pegel des elektrischen Stromes in den Nanodrähten und damit ein Bias-Magnetfeld, um die Resonanzfrequenzen der benachbarten Qubits zu verstimmen und damit unterscheiden, was die Adressierbarkeit der benachbarten Qubits im Frequenzbereich ermöglicht.
- 2. Doppel-Echo-Sequenzen mit unterschiedlichen Pulsabständen entkoppeln das Übersprechen zwischen gleichzeitig betriebenen 2-Qubit-Gattern,
- 3. Ein zusätzlicher Abschirmstreifen zwischen den Kontroll-Nanostreifen führt zu einer Reduktion der Störungen, was natürlich technisch anspruchsvoll ist.
- Analytisch konstruierte Quantengatter werden zunächst für numerische Optimalsteuerungsansätze verwendet, um die Gatterqualität weiter zu verfeinern. Es wird erwartet, dass dieser kombinierte Ansatz leistungsfähiger ist als ein „blinder“ numerischer oder ein rein analytischer Ansatz, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass sie optimale Verfahren finden. Es werden drei Arten von Gattern betrachtet (i) NV-NV (ii) NV-nuc und (iii) nuc-nuc (vermittelt über NV) /9/. Die Nahfeldsteuerung der Qubits über ein darüberliegendes elektrisches Gitter ist ein neuer Teil des Konzeptes. Aber der Stand der Technik bei Grafikchips mit 5-7 nm Abstand und Taktraten von mehreren GHz zeigt, dass Mikrowellem über Nanodrähte ohne Übersprechen übertragen werden können. Eine Simulation der MW-Schaltungen ist in der Konstruktionsphase sinnvoll, um das Pulsrauschen, das Übersprechen und den Einfluss auf die Qubit-Systeme zu optimieren.
- Torausführung und Torimpulssteuerung
- Der erste Schritt ist die Erstellung der Look-Up-Tabelle im Speicher des Steuerrechners der Vorrichtung für die Frequenzen und sonstigen Parameter der Quantengatter-Operationen. Diese Look-up-Tabelle ist von besonderer Wichtigkeit für die korrekte Funktion der Vorrichtung und enthält alle Resonanzfrequenzen, T1- und T2-Zeiten, Kopplungsstärke und die effektive Kopplung zur Mikro- und RF-Welle für die Gate-Operationen. Zur Füllung der Look-Up-Tabelle bestimmt die Vorrichtung zu einem Initialisierungszeitpunkt die Resonanzenergien, die T1-Zeiten, die T2-Zeiten und die Pulslängen. Die Vorrichtung nutzt bevorzugt ODMR- und eine Rabi-Sequenz für die Bestimmung dieser Werte im Falle von NV-Zentren. Die Vorrichtung nutzt bevorzugt ENDOR für die Bestimmung dieser Werte im Falle gekoppelter 13C- oder 14N-Kerne /7/. Insgesamt ist dies ein sehr zeitaufwändiges Verfahren, da alle möglichen Spin-Kombinationen berücksichtigt werden müssen. Diese Look-Up-Tabelle muss aber nur einmal erstellt werden und kann sich nicht ändern, da die Positionen der 13C-Isotope und der NV-Zentren im Diamantgitter fest vorgegeben sind und eine Diffusion im Diamantgitter des Diamanten bei Raumtemperatur praktisch nicht stattfindet. Leider sind die Spezifikationen von der Leistung der Mikrowellen und HF-Wellen abhängig, so dass eine konstante Leistungsregelung notwendig ist, um eine Genauigkeit von besser 99,9% für einzelne Qubit-Gatter zu erreichen. Dies kann durch externe Antennen in einer Rückkopplungsschleifensteuerung erfolgen. Zusätzlich kontrollieren bevorzugt eine externe Magnetfeldregelung die externe Magnetfeldstärke am Ort oder in der Nähe der Quantenbits und eine externe Temperaturregelung die Temperatur am Ort oder in der Nähe der Quantenbits.
- Initialisierung der Qubits
- Optisches Pumpen initialisiert den Elektronenspin des NV-Zentrums innerhalb von 1 µs. Die Übertragung der Polarisation auf die Kernspins initialisiert die Kernspins. Dieser Schritt ist zeitkritisch und kann bei schwach gekoppelten Kernspins bis zu 50 µs dauern. Das System ist nun bereit, die Quantengatter-Operationen durchzuführen:
- Ein-Qubit-Gatter.
- Als Beispiel sei hier ein X-Gate auf ein bestimmtes Qubit angeführt: Der Steuerrechner sucht die abgelegten Daten für das spezifische Qubit in der besagten Look-up-Tabelle in seinem Speicher. Dort sind die Resonanzfrequenzen für dieses Qubit hinterlegt. Der Steuerrechner veranlasst eine Ansteuerungsvorrichtung den Puls mit definierter Frequenz und Länge entsprechend den Werten des Look-Up-Tables auszuführen. Die Resonanzfrequenzen sind abhängig vom Spinzustand der gekoppelten Nachbarspins. Für ein einzelnes Qubit-Gate ist es notwendig, dass die Frequenzen der induktiven Spins adressierbar sind. Dies kann für verschiedene NV-Orientierungen leicht erreicht werden. Um die volle Skalierbarkeit zu erreichen, umfasst die Ansteuerungsvorrichtung bevorzugt zusätzliche AC- und DC-Magnetfeldgradienten, um die Adressierbarkeit von NV-Zentren mit der gleichen Orientierung zu erreichen. Die MW-Pulse sind dabei so ausgelegt, dass Fehler, die mit der Leistungsdrift der MW-Verstärker verbunden sind, nicht auftreten oder wirksam werden. Auf diese Weise ist eine Genauigkeit > 99,5 Prozent Genauigkeit möglich. Das Zwei-Qubit-CNOT-Gate ist ein bedingter Spin-Flip in Abhängigkeit vom Spin-Zustand des gekoppelten Spins. Bei einem solchen gekoppelten Spin kann es sich um den Spin eines zum betreffenden NV-Zentrum benachbarten NV-Zentrum handeln. Daher entspricht ein X-Gate mit einer scharfen Frequenz, automatisch einem CNOT. Ein CNOT von zwei 13C-Isotopen, die an getrennte NV-Zentren gekoppelt sind, wird durch eine voreingestellte SWAP-Operation (13C-NV) zwischen einem 13C-Isotop und einem NV-Zentrum durchgeführt.
- Eine CCNOT-Gate-Operation kann auf ähnliche Weise realisiert werden: Der Impuls wird mit den einzelnen Frequenzen ausgeführt.
- Um High-Fidelity-Zwei-Qubit-Gatter zwischen den NV-Elektronen-Spin-Qubits und den Kern-Spin-Qubits zu realisieren, werden interferenzbasierte Schemata verwendet, die die Kopplung an unerwünschte Kerne in der Nähe der Qubits unterdrücken, da dies zu höheren Gattergeschwindigkeiten führt. Das einfachste Gate kann echobasiert sein. Optimale Quanten-Gates basieren jedoch auf der Basis des Hamiltonian Engineerings. entwickeln und uns Entkopplungssequenzen nähern, die wir entwickelt haben /10//11//9//12/ . Dazu verwendet die Erfindung bevorzugt Resonanzen höherer Ordnung in der Filterfunktion der adaptiven XY-Sequenz und neue Methoden der glatten Quantenkontrolle /13/, um unerwünschte Kopplungen zu den anderen Qubits systematisch zu unterdrücken und eine Zwei-Qubit-Gate-Treue von über 99,5 Prozent zu erreichen. Aufgrund der langen T2-Zeiten der Kernspins im Vergleich zu den Elektronenspins der NV-Zentren wirkt der Nuklearspin eines 13C-Isotops wie ein Quantenspeicher /3/. D.h. eine Swap-Operation kann die Information des NV-Zentrums mit dem nuklearen Spin eines 13C Isotops verkoppeln. Somit kann das NV-Zentrum durch einen entsprechend gestalteten Laserpuls aufgefrischt werden. Diese Konzepte wurden bereits in einer großen Anzahl von Experimenten mit einem einzelnen NV-Zentrum, das an den 13C-Spin gekoppelt ist, nachgewiesen /1/.
- Auslesen der Qubits
- Diese Schrift unterscheidet zwischen optischem und photoelektrischem Auslesen:
- Optisches Auslesen:
- Die Intensität der Fotolumineszenz und die Anzahl der Photoelektronen eines NV-Zentrums ist abhängig vom Spin-Zustand. Bei effektiver Sammlung der Photonen bzw. Elektronen ist die Fotolumineszenz des NV-Zentrums bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung im Spinzustand m=0 des NV-Zentrums um ca. 30% heller als im Spinzustand m=-1 oder m=+1 des NV-Zentrums /7/. Bei der Auslesung muss daher zwischen optischer und elektrischer Auslesung unterschieden werden.
- Ziel der „single-shot“ optischen Auslesung ist es, den Kernspinzustand zu bestimmen, ohne ihn zu verändern /14/. Führt die Vorrichtung die Messung auf dem Elektronenspin-Subniveau m=0 durch, bleibt der Spin-Zustand des Kerns erhalten und die Vorrichtung kann die Messung mehrfach wiederholen. Die Vorrichtung führt diese Aufgabe mit einer Folge von ns-Laserpulsen durch. Die Vorrichtung detektiert jeden Laserpuls, um sicherzustellen, dass die effektive Dichte stabilisiert wird. Das Auslesen einer NV-Zentren selbst besteht darin, dass die Vorrichtung den Spin-Zustand auf einen benachbarten Kernspin überträgt und dann misst /14/ . Bei niedrigeren Temperaturen ist die Situation aufgrund der geringeren Linienbreite günstiger. In einem solchen Fall kann eine direkte Auslesung der NV-Zentren erfolgen, da die Anregung des Zustandes m = 0 der NV-Zentren nur bei einer bestimmten Frequenz erfolgt. Bei gekoppelten NV-Zentren bei Raumtemperatur sind zusätzliche X-Gates notwendig, um eine Auslesung anzugehen.
- Elektrische Auslesung:
- Für ein Array mit mehr als 4 NV-Zentren ist das optische Auslesen unzureichend und zeitaufwendig. Hier muss der Zugriff auf den NV-Spinzustand durch Spin abhängige Fotoionisation und Detektion des Fotostroms erfolgen. Der Vorteil ist, dass das Fotoelektron mit lokalen Nanodrähten gesammelt werden kann, somit ist ein individuelles und paralleles Auslesen der gekoppelten NV-Zentren möglich. Diese sogenannte Fotostromdetektion der magnetischen Resonanz (PDMR) wurde kürzlich entwickelt /5/. Die Methode beinhaltet einen Zwei-Photonen-Prozess zur Ionisierung des NV-Zentrums, wobei die Vorrichtung die Laserleistung entsprechend wählt. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung eines zweiten Laserstrahls die Aufladung der NV-Zentren von NV0 nach NVbeschleunigt. Wird dieser Vorgang mehrmals wiederholt, kann der Spin-Zustand des NV-Zentrums entsprechend bestimmt werden. Wie bei der optischen Auslesung kann die Vorrichtung eine Single-Shot-Auslesung bei Raumtemperatur über einen Kernspin durchführen. In einfachen Konfigurationen umfassen die Systeme beispielsweise 2 oder 4 Q-Nodes. Damit ist die optische Auslesung ausreichend, um Auslesetreue von >95% zu erreichen /3/. Große Arrays von Qubits aus NV-Zentren mit mehr als 100 Qubits sind denkbar.
- Die Erfindung soll im Folgenden anhand von Figuren und Beispielen näher erläutert werden, ohne auf hierauf beschränkt zu sein.
- Figurenliste
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1 zeigt den beispielhaften Aufbau einer vorgeschlagenen Vorrichtung. -
2 zeigt mehrere verschiedene Versionen der Ausgestaltung der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia. -
3 zeigt die3k und31 entsprechen den2g und2h mit dem Unterschied, dass die3k und31 eine zweite Isolationsschicht OX2 und eine erste horizontale Leitung HL1 und eine zweite horizontale Leitung HL2 vorsehen. -
4 zeigt noch einmal als4a die3i und als4b die3j . -
5 zeigt eine beispielhafte reale Ausführung mehrerer Resonatorstrukturen RS auf der Oberfläche OF2 des Diamantsubstrats Dia. -
6 zeigt ein einfaches Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die den Anschluss der Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia mittels HF-Leitungen als Leitungen LTG erlaubt, die über Hochfrequenzsteckverbindungen, die bevorzugt sogenannte SMA-Buchsen SMA sind, an einem Ende der Leitung LTG verfügen. -
7 zeigt eine technische Lehre ähnlich der technischen Lehre der6 , wobei in der Zusammenschau der1 bis6 mit der7 die7 eine Reihe von Kombinationsmöglichkeiten der Merkmale der1 bis7 offenbart. -
8 zeigt eine technische Lehre ähnlich der technischen Lehre der6 und7 , wobei in der Zusammenschau der1 bis7 mit der8 die8 eine Reihe von Kombinationsmöglichkeiten der Merkmale der1 bis8 offenbart. -
9 zeigt beispielhaft wesentliche Schritte für die Herstellung einer der zuvor vorgestellten Vorrichtungen. -
10 skizziert die Anwendung des eWLB-Verfahres auf die Montage des Diamantsubstrats Dia. - Beschreibung der Figuren
- Die Figuren stellen einzelne beispielhafte Ausprägungen der Erfindung bzw. des Vorschlags dar. Ausdrücklich umfasst die Offenbarung auch die Kombination von Merkmalen aus verschiedenen Figuren. Die Offenbarung ist also ausdrücklich nicht auf die Offenbarung der Figuren beschränkt, sondern umfasst eindeutig auch die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Figuren dieser Schrift.
- Figur 1
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1 zeigt den beispielhaften Aufbau einer vorgeschlagenen Vorrichtung. Das Diamantsubstrat Dia ist mit einem Interposer eWLB verbunden. Bevorzugt handelt es sich um einen Silizium-Wafer mit einem Metallisierungsstapel, der die Leitungen zur Ansteuerung der Quantenbits in Form von NV-Zentren aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Leitungen, die zum elektrischen Anschluss der auf dem Diamantsubstrat Dia befindlichen und zur elektrischen Ansteuerung der Qubits notwendigen Steuerleitungen, direkt auf dem Wafer gefertigt werden können. Die Verbindung zwischen den Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und der Leitungen auf der Oberfläche des Interposers eWBL kann beispielsweise über sogenannte Solder-Balls in sogenannter Flip-Chip-Technik erfolgen. Das Diamant-Substrat Dia umfasst in dem Beispiel der1 ein NV-Zentrum NV, das mit einer Vielzahl von 13C-Isotopen 13C als nuklearen Quantenbits koppeln kann. Diese bilden zusammen einen Q-Node. Es ist denkbar, dass das Diamant-Substrat mehr als einen Q-Node umfasst. In der1 sind die 13C-Isotope 13C, die als nukleare Quantenbits dienen, als kleine Kreise mit weißer Füllung symbolisch angedeutet. Das NV-Zentrum NV, das als elektronisches Quantenbit dient, ist als dunkler Punkt angedeutet. Das Diamant-Substrat Dia weist in dem Beispiel der1 vier Seitenflächen und zwei Oberflächen und zwar eine Oberseite und eine Unterseite auf. Der Q-Node aus NV-Zentrum NV und 13C-Isotopen 13C befindet sich in dem Beispiel der1 nahe der Unterseite des Diamant-Substrats Dia. Vorzugsweise erzeugt ein Elektronenstrahl-Lithografie-Prozess die Steuerleitungen für die Ansteuerung des NV-Zentrums NV des Q-Nodes in der Nähe des NV-Zentrums NV auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia auf Basis einer oder mehrerer auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia abgeschiedenen und fest mit der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia verbunden elektrisch leitenden Schicht. Diese elektrisch leitende Schicht und damit die elektrischen Steuerleitungen auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia sind bevorzugt aus einem für die Pumpstrahlung des NV-Zentrums NV und für die Fluoreszenzstrahlung des NV-Zentrums NV optisch transparenten und elektrisch leitendem Material gefertigt. Bevorzugt sind diese Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia aus ITO (Indium-Zinn-Oxid) gefertigt. Eine Fertigung der Steuerleitungen aus einem anderen elektrisch leitenden Material wie beispielsweise einem Metall, z.B. Aluminium und/oder einer Aluminium-Legierung und/oder Titan und/oder einer Titan-Legierung und/oder Gold und/oder Silber etc. ist aber ebenfalls möglich. Hierbei bedeutet Nähe, dass der Abstand zwischen dem Q-Node (NV, 13C) und der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und damit zu der betreffenden Steuerleitung des NV-Zentrums NV in der Größenordnung von 20nm liegt. Das Diamant-Substrat Dia mit den Steuerleitungen der NV-Zentren NV ist somit in einer Position, die in der Halbleitertechnik als Face-Down bezeichnet wird, auf der Oberfläche des Interposers eWLB befestigt. Die Befestigung des Diamantsubstrats Dia an dem Interposter eWBL erfolgt vorzugsweise über eine Flip-Chip-technik, beispielsweise mittels Lotkugeln (Englisch Solder-Balls) zwischen den Steuerleitungen der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und den Leitungen auf der Oberfläche des Interposers eWBL. Die Oberfläche der Unterseite des Diamant-Substrats ist also in fast direktem Kontakt mit der Oberfläche des Interposers eWLB, wobei sich zwischen der Oberfläche des Interposers eWBL und der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia ein Spalt in der Dicke der Lotkugeln (Englisch Solder-Balls) ergibt. Wie bereits beschrieben, weist der Interposer eWLB bevorzugt Leitungen in einem Metallisierungsstapel aus strukturierten Metallschichten, die die Leitungen bilden, Isolationsschichten, die die Leitungen gegeneinander isolieren, und Durchkontaktierungen, die die Leitungen in der vertikalen miteinander elektrisch verbinden auf. Durch diese Konstruktion können die Leitungen auf einem größeren Wafer in herkömmlichen Lithografieprozessen der Halbleiter- und Mikrostrukturtechnik gefertigt werden. Diese Prozesse sind sehr ausgereift und besitzen hohe Cpk-Werte, sodass eine zuverlässige industrielle Hochvolumenfertigung ohne Probleme möglich ist. - Durch die vorgeschlagene Konstruktion können die Solder-Balls die Leitungen auf der Oberfläche des Interposers eWLB leicht mit den Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia elektrisch verbinden. Dies ermöglicht, die Heranführung der Steuersignale für die Manipulation des NV-Zentrums NV in die Nähe des NV-Zentrums NV. Hierbei bedeutet Nähe, dass die Distanz zwischen der betreffenden Steuerleitung und dem betreffenden NV-Zentrum NV so gering ist, dass ein Stromfluss durch die Steuerleitung bzw. ein an die Steuerleitung angelegtes elektrisches Potenzial das NV-Zentrum NV beeinflussen kann. Dies gilt dann natürlich auch für elektromagnetische Wellen, die sich längs dieser betreffenden Steuerleitung ausbreiten, nachdem eine Radiofrequenzquelle oder eine Mikrowellenquelle sie in die zugehörige Leitung und damit über die zugehörige Lotkugel (Englisch Solder-Ball) in die Steuerleitung eingespeist hat.
- In dem Beispiel der
1 sind symbolisch mehrere integrierte Schaltungen angedeutet, die sich auf dem Interposer eWLB befinden. In dem Beispiel der1 sind dies ein erster Radiofrequenzsignalgenerator RF1, ein zweiter Radiofrequenzsignalgenerator RF2, ein Mikrowellensignalgenerator MW, ein Steuerschaltkreis CTRL, ein erster Verstärker AMP1, ein zweiter Verstärker AMP2, ein dritter Verstärker AMP3. - Der erste Radiofrequenzsignalgenerator RF1 und der ein zweite Radiofrequenzsignalgenerator RF2 dienen dazu, das in der
1 beispielhaft genau eine NV-Zentrum NV mittels geeigneter Radiowellensignale mit den Kernen vorbestimmter 13C-Isotope 13C in der Nähe des NV-Zentrums NV zu koppeln. Diese Schrift merkt ausdrücklich hier an, dass das Diamantsubstrat Dia mehrere Q-Nodes und damit mehr als ein NV-Zentrum NV umfassen kann. Bevorzugt umfasst die Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia in einem solchen Fall der Verwendung mehrerer NV-Zentren NV dann auch mehrere Steuerleitungen, die dann an entsprechende, mehrere Leitungen des Interposers eWLB über Lotkugeln (Englisch Solder-Balls) angeschlossen sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung behandelt diese Schrift im Folgenden nur ein NV-Zentrum NV. Die Verwendung und Ansteuerung mehrerer NV-Zentren NV ist aber ausdrücklich von der Beschreibung mitumfasst. Damit der erste Radiofrequenzsignalgenerator RF1 und der zweite Radiofrequenzsignalgenerator RF2 das in der1 beispielhaft genau eine NV-Zentrum NV mittels geeigneter Radiowellensignale mit den Kernen vorbestimmter 13C-Isotope 13C in der Nähe des NV-Zentrums NV koppeln können, sind der erste Radiofrequenzsignalgenerator RF1 und der zweite Radiofrequenzsignalgenerator RF2 bevorzugt mit jeweils einer Antenne in dem Metallisierungsstapel des Interposers eWLB und oder unter den Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia verbunden, die sich bevorzugt in dem Beispiel der1 unter dem Diamant-Substrat Dia, also in dem Zwischenraum zwischen der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und der Oberfläche des Substrats des Interposers eWLB befinden. - Der Mikrowellensignalgenerator MW dient dazu, die elektronische Spin-Konfiguration des NV-Zentrums NV zu manipulieren. Damit der Mikrowellensignalgenerator MW den Spin des in der
1 beispielhaft genau einen NV-Zentrums NV mittels geeigneter Mikrowellensignale manipulieren kann, ist der Mikrowellensignalgenerator MW bevorzugt mit einer Mikrowellenantenne in dem Metallisierungsstapel des Interposers eWLB und oder unter den Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia verbunden, die sich bevorzugt in dem Beispiel der1 unter dem Diamant-Substrat Dia , also in dem Zwischenraum zwischen der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und der Oberfläche des Substrats des Interposers eWLB befindet. - In der Variante mit elektrischer Auslesung dienen der erste Verstärker AMP1, der zweite Verstärker AMP2 und der dritte Verstärker AMP3 dem Auslesen des Fotostromes.
- Der Steuerschaltkreis CTRL, ist bevorzugt über Steuerleitungen im Metallisierungsstapel des Interposers eWLB mit den anderen Schaltkreisen auf dem Interposer eWLB verbunden. Im Fall der beispielhaften
1 sind diese Schaltkreise der erste Radiofrequenzsignalgenerator RF1, der zweite Radiofrequenzsignalgenerator RF2, der Mikrowellensignalgenerator MW, der erste Verstärker AMP1, der zweite Verstärker AMP2 und der dritte Verstärker AMP3. Über die Steuerleitungen steuert der Steuerschaltkreis CTRL diese anderen Schaltungen. - Leitungen LTG verbinden den Steuerschaltkreis CTRL und ggf. weitere Schaltungen auf dem Interposer eWLB mit einem übergeordneten Rechnersystem PC, das einerseits über diese Leitungen LTG Messwerte, Statusinformationen und andere Daten aus den Schaltungen auf dem Interposer eWLB abfragen kann und andererseits über diese Leitungen LTG den Betrieb und /oder den Status und/oder das Zusammenwirken der Schaltungen auf dem Interposer eWLB beeinflussen kann.
- Der Steuerschaltkreis CTRL und das übergeordnete Rechnersystem PC können identisch sein oder eine Einheit bilden. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden diese Varianten hier nicht weiter ausgeführt. Sie sind aber vom Offenbarungsgehalt dieser Schrift umfasst.
- In der Ausführungsform der
1 steuert das übergeordnete Rechnersystem PC ein Laser-System LS. Das Laser-System LS umfasst einen Laser, der sein Laserlicht in dem Beispiel der1 in einen Lichtwellenleiter LWL einspeist. Das Laser-System LS dient zur Bereitstellung der notwendigen Pumpstrahlung für die Bestrahlung des NV-Zentrums NV. - Der Interposer eWLB mit dem Diamant-Substrat Dia und den anderen Schaltungen auf dem Interposer eWLB befindet sich bevorzugt auf einem Keramikträger Cer, der beispielsweise Al2O3 oder BN oder ein ähnliches Material, wie es für die HF-Technik üblich ist, umfassen kann. Ein Silizium-Rahmen SiF befindet sich vorzugsweise ebenfalls auf dem Keramik-Träger Cer. Der Silizium-Rahmen SiF ist bevorzugt mikrotechnisch hergestellt. Der Silizium-Rahmen SiF umfasst bevorzugt das Material Silizium. Der Silizium-Rahmen SiF umfasst bevorzugt das ein monokristallines Material. Dies hat den Vorteil, dass gängige mikrotechnische Fertigungsprozesse den Silizium-Rahmen hochpräzise herstellen können. Der Silizium-Rahmen SiF weist bevorzugt eine vorzugsweise mikrotechnisch gefertigte Nut Nu auf, die der mechanischen Aufnahme, Fixierung und Ausrichtung eines Teils des besagten Lichtwellenleiters LWL dient. Der Lichtwellenleiter LWL endet bevorzugt unmittelbar vor einer vorzugsweise polierten Seitenfläche des Diamantsubstrats Dia. An diesem Ende des Lichtwellenleiters LWL koppelt eine Auskoppelstruktur das Laserlicht des Lasersystems LS wieder aus dem Lichtwellenleiter LWL aus und speist es in das Diamantsubstrat Dia ein, wo es dann das NV-zentrum NV vorzugsweise mit Pumpstrahlung bestrahlt. Die Auskoppelstruktur kann im einfachsten Fall einfach das in der Luft hängende Ende des Lichtwellenleiters LWL sein. Es hat sich aber gezeigt, dass eine Optimierung dieser Auskoppelstruktur sinnvoll ist. Ggf. kann daher der Lichtwellenleiter LWL mit einer speziellen Koppelstruktur oder Auskoppelstruktur oder Beschichtung oder dergleichen versehen sein, um ein Maximum an Lichtleistung der Pumpstrahlung LB des Lasersystems LS in das Diamantsubstrat Dia einkoppeln zu können. Die Ausrichtung des Lichtwellenleiters LWL relativ zum Diamantsubstrat Dia ist dabei bevorzugt so, dass ein Maximum der Intensität der Lichtleistung der Pumpstrahlung LB, die aus dem Lichtwellenleiter LWL austritt, das NV-Zentrum NV trifft.
- Der übergeordnete Rechner PC ist in dem Beispiel der
1 mit einer Drahtlosschnittstelle 5G verbunden, die eine Datenverbindung des übergeordneten Rechners PC mit dem Internet oder einem anderen Datennetzwerk und darüber zu einem entfernten Rechnersystem erlaubt. Statt dieser beispielhaften Drahtlosschnittstelle 5G oder zusätzlich zu dieser können auch andere drahtgebundene oder drahtlose Datenverbindungen des übergeordneten Rechners PC Verwendung finden. Solche Verbindungen können beispielsweise Ethernet-Verbindungen, WLAN, Verbindungen, CAN-Bus-Verbindungen etc. sein. - In der Ausführungsform der Erfindung ist somit vorgesehen, dass beispielsweise der entfernte Rechner über das Internet den Spin-Zustand eines oder mehrerer nuklearer Spins der 13C-Isotope 13C mittels des übergeordneten Rechners PC, des Steuerschaltkreises CTRL und der anderen Schaltkreise auf dem Interposer eWLB sowie der Leitungen auf dem Interposer eWLB und damit der Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und Antennen im Metallisierungsstapel des Interposers eWLB bzw. auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und damit die Elektronenkonfiguration des NV-Zentrums NV steuert oder beeinflusst.
- Figur 2
-
2 zeigt mehrere verschiedene Versionen der Ausgestaltung der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia. - Die
2a ,2c ,2e ,2g , und2i zeigen die jeweilige Version in der Aufsicht. Die2b ,2d ,2f ,2h und2j zeigen einen Querschnitt der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia der jeweiligen Version. - Die
2a zeigt die Aufsicht der Version des Querschnitts der2b . - Die
2c zeigt die Aufsicht der Version des Querschnitts der2d . - Die
2e zeigt die Aufsicht der Version des Querschnitts der2f . - Die
2g zeigt die Aufsicht der Version des Querschnitts der2h . - Die
2i zeigt die Aufsicht der Version des Querschnitts der2j . - Zur Vereinfachung sind nur die NV-Zentren NV in der
2a und in der2j mit Bezugszeichen versehen. Die NV-Zentren NV sind in den2a bis2j als schwarz ausgefüllte Kreise eingezeichnet und daher trotzdem klar bezeichnet. Zur Vereinfachung sind nur die 13C-isotope 13C in der2a und in der2j mit Bezugszeichen versehen. Die 13C-isotope 13C sind in den2a bis2j als weiß ausgefüllte Kreise eingezeichnet und daher trotzdem klar bezeichnet. - Die Figuren sind schematisch vereinfacht und zur Klarheit der Darstellung nicht maßstabsgerecht, da dies nicht darstellbar ist. Auch kann die Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia eine Mehr- oder Vielzahl dieser Strukturen aufweisen. Die Strukturen der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia können alle in der gleichen Weise oder unterschiedlich gestaltet sein, wenn es sich um eine Mehr- oder Vielzahl solcher Strukturen handelt.
- Die
2a verdeutlicht ein Beispiel der einfachsten Variante der Konfiguration eines Q-Nodes. Ein NV-Zentrum NV ist von einem oder, wie hier dargestellt bevorzugt mehreren 13C-Isotopen 13C umgeben, die mit dem NV-Zentrum NV beispielsweise durch Dipolwechselwirkung koppeln können. Diese 13C-Isotope 13C und dieses NV-Zentrum NV bilden dann einen Q-Node. Bevorzugt besitzt dabei jedes der 13C-Isotope 13C eine andere Kopplungsstärke mit dem NV-Zentrum NV als alle anderen 13C-Isotopen 13C dieses Q-Nodes. Dies drückt sich dann in einer jeweils anderen Resonanzfrequenz für die Kopplung des jeweiligen Paars aus NV-Zentrum NV und 13C-Isotop 13C gegenüber der jeweiligen anderen Resonanzfrequenz jedes anderen jeweiligen Paares aus NV-Zentrum NV und jeweiligem anderen 13C-Isotop 13C aus. - Die
2b zeigt die beispielhafte Situation der2a als Querschnitt. - Bevorzugt befindet sich das NV-Zentrum NV und damit der Q-Node in einem Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV von der Oberfläche OF im Diamantsubstrat Dia in einer Größenordnung von ca. 20nm unter der Oberfläche OF des Diamantsubstrats Dia. Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV sollte daher größer als 5nm, besser größer als 10nm, besser größer als 15nm besser größer als 17nm, besser größer als 19nm sein. Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV sollte daher vorzugsweise kleiner als 21nm, besser kleiner als 22nm, besser kleiner als 25nm besser kleiner als 30nm, besser kleiner als 40nm sein, besser kleiner als 60nm sein. Ganz besonders bevorzugt sollte der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV 20nm sein.
- Alle Abstände von Q-Nodes zu einer Struktur einer in dieser Schrift vorgeschlagenen Vorrichtung beziehen sich im Sinne dieser Schrift immer auf den Abstand des NV-Zentrums NV des Q-Nodes zu der Struktur der in dieser Schrift vorgeschlagenen Vorrichtung. Der Ort des NV-Zentrums NV bestimmt im Sinne dieser Schrift somit den Ort des Q-Nodes.
- Die Oberfläche OF des Diamantsubstrats Dia stellt einen Sprung der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in dem betreffenden medium dar. Daher transmittiert die Oberfläche OF nicht die gesamte elektromagnetische Strahlung, sondern reflektiert einen Teil derselben. Diese Schrift schlägt nun vor, den Q-Node mit dem NV-Zentrum NV und den 13C-Isotopen 13C in einer Resonatorstruktur RS zu platzieren. Bevorzugt ist diese Resonatorstruktur RS gestaltet, dass die Fluoreszenzstrahlung des NV-Zentrums NV die Resonatorstruktur RS gut verlassen kann und dass die Pumpstrahlung in die Resonatorstruktur RS gut eindringen kann. Eine Person, die den technischen Inhalt dieser Schrift nacharbeiten will, sollte je nach verwendetem Lasersystem LS und vorgesehener Einfallsrichtung der Pumpstrahlung LB sollten die Dimensionen der Resonatorstruktur RS beispielsweise mittels einer FDTD-Simulation optimieren, um ein optimales Ergebnis zu erreichen.
- In dem Beispiel der
2c und2d ist die Resonatorstruktur RS eine zylindrische Struktur in Form eines Pfostens (Englisch Pillar) in dessen Diamantmaterial der Q-Node mit dem NV-Zentrum NV und den 13C-Isotopen 13C eingebettet ist. Der Q-Node aus NV-Zentrum NV und den 13C-Isotopen 13C befindet sich bevorzugt an der Spitze der Resonatorstruktur RS. Der Durchmesser wpsNV der Resonatorstruktur RS der2c und2d sollte bevorzugt in der Größenordnung von 50nm liegen. Der Durchmesser wpsNV der Resonatorstruktur RS sollte also bevorzugt größer 49nm, schlechter größer 49nm, schlechter größer 45nm, schlechter größer 40nm, schlechter größer 20nm sein. Der Durchmesser wpsNV der Resonatorstruktur RS sollte also bevorzugt kleiner 51nm, schlechter kleiner 52nm, schlechter kleiner 55nm, schlechter kleiner 60nm, schlechter kleiner 70nm, schlechter kleiner 90nm sein. - In dem Beispiel der
2c und2d hat beispielsweise im Zuge des Herstellungsprozesses ein RIE-Ätzprozess zuvor eine zweite Oberfläche OF2 geschaffen, die um die Höhe hp der Resonatorstruktur RS unter der Oberfläche OF am oberen Ende der Resonatorstruktur RS liegt. Bevorzugt hat die Höhe hp der Resonatorstruktur RS eine Größenordnung von ca. 400nm. Damit ist die Höhe hp der Resonatorstruktur RS bevorzugt größer als 399nm und/oder schlechter größer als 398nm und/oder schlechter größer als 395nm und/oder schlechter größer als 390nm und/oder schlechter größer als 380nm und/oder schlechter größer als 350nm und/oder schlechter größer als 300nm und/oder schlechter größer als 200nm und/oder schlechter größer als 100nm und/oder schlechter größer als 50nm. Damit ist die Höhe hp der Resonatorstruktur RS bevorzugt kleiner als 401nm und/oder schlechter kleiner als 402nm und/oder schlechter kleiner als 405nm und/oder schlechter kleiner als 410nm und/oder schlechter kleiner als 420nm und/oder schlechter kleiner als 450nm und/oder schlechter kleiner als 500nm und/oder schlechter kleiner als 600nm und/oder schlechter kleiner als 800nm und/oder schlechter kleiner als 1µm und/oder schlechter kleiner als 2µm. - Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den
2c und2d sollte wie zuvor bevorzugt größer als 5nm, besser größer als 10nm, besser größer als 15nm besser größer als 17nm, besser größer als 19nm sein. Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den2c und2d sollte daher vorzugsweise kleiner als 21nm, besser kleiner als 22nm, besser kleiner als 25nm besser kleiner als 30nm, besser kleiner als 40nm sein, besser kleiner als 60nm sein. Ganz besonders bevorzugt in dem Beispiel der den2c und2d sollte der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV 20nm sein. - Die
2e entspricht im Wesentlichen der2c . Die2f entspricht im Wesentlichen der2d . Der Q-Node aus NV-Zentrum NV und den 13C-Isotopen 13C befindet sich bevorzugt an der Spitze der Resonatorstruktur RS. Im Gegensatz zu den2c und2d ist nun jedoch bei den2e und2f auf der zweiten Oberfläche OF2 der Unterseite des Diamantsubstrats Dia eine erste vertikale Leitung VL1 gefertigt. Im Sinne dieser Schrift handelt es sich bei der ersten vertikalen Leitung VL1 um eine Steuerleitung, die auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats gefertigt ist. Der Mikrowellengenerator MW und/oder der erste oder zweite Radiowellengenerator RF1, RF2 treiben vorzugsweise einen Strom durch diese erste vertikale Leitung VL1 oder ändern das Potenzial dieser ersten vertikalen Leitung VL1 gegenüber einem Bezugspotenzial. Hierdurch strahlt die erste vertikale Leitung VL1 ein elektromagnetisches Feld aus, dass das NV-Zentrum NV des Q-Nodes beeinflussen kann. Daher kann die erste vertikale Leitung VL1 als Steuerleitung für das NV-Zentrum NV und damit für den Q-Node arbeiten. - Bevorzugt ist der Abstand dLNV der Außenkannte der ersten vertikalen Leitung LV1 zum NV-Zentrum NV in der Größenordnung der Hälfte des Durchmessers wpsNV der Resonatorstruktur RS.
- Der Abstand dLNV der Außenkannte der ersten vertikalen Leitung LV1 zum NV-Zentrum NV der
2e und2f sollte bevorzugt in der Größenordnung von 25nm liegen. Der Abstand dLNV der Außenkannte der ersten vertikalen Leitung LV1 zum NV-Zentrum NV sollte also bevorzugt größer 24nm, schlechter größer 23nm, schlechter größer 20nm, schlechter größer 15nm, schlechter größer 10nm sein. Abstand dLNV der Außenkannte der ersten vertikalen Leitung LV1 zum NV-Zentrum NV sollte also bevorzugt kleiner 26nm, schlechter kleiner 27nm, schlechter kleiner 30nm, schlechter kleiner 35nm, schlechter kleiner 45nm, schlechter kleiner 65nm sein. - Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den
2e und2f sollte wie zuvor bevorzugt größer als 5nm, besser größer als 10nm, besser größer als 15nm besser größer als 17nm, besser größer als 19nm sein. Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den2e und2f sollte daher vorzugsweise kleiner als 21nm, besser kleiner als 22nm, besser kleiner als 25nm besser kleiner als 30nm, besser kleiner als 40nm sein, besser kleiner als 60nm sein. Ganz besonders bevorzugt in dem Beispiel der den2e und2f sollte der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV 20nm sein. - Die
2g entspricht im Wesentlichen der2e . Die2h entspricht im Wesentlichen der2f . Der Q-Node aus NV-Zentrum NV und den 13C-Isotopen 13C befindet sich bevorzugt an der Spitze der Resonatorstruktur RS. Im Gegensatz zu den2c und2d ist nun jedoch bei den2e und2f eine zweite vertikale Leitung VL2 zusätzliche zur ersten vertikalen Leitung VL1 auf der zweiten Oberfläche OF2 der Unterseite des Diamantsubstrats Dia vorgesehen. - Im Sinne dieser Schrift handelt es sich bei der zweiten vertikalen Leitung VL2 ebenfalls um eine Steuerleitung, die auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats gefertigt ist. Der Mikrowellengenerator MW und/oder der erste oder zweite Radiowellengenerator RF1, RF2 treiben vorzugsweise einen Strom durch diese zweite vertikale Leitung VL2 oder ändern das Potenzial dieser zweiten vertikalen Leitung VL2 gegenüber einem Bezugspotenzial. Hierdurch strahlt die zweite vertikale Leitung VL2 ebenfalls ein elektromagnetisches Feld aus, dass das NV-Zentrum NV des Q-Nodes beeinflussen kann. Daher kann die zweite vertikale Leitung VL2 als Steuerleitung für die NV-Zentren NV1 und NV2 und damit für den Q-Node arbeiten.
- Bevorzugt ist der Abstand dLNV der Außenkannte der zweiten vertikalen Leitung LV2 zum nächstliegenden NV-Zentrum NV in der Größenordnung der Hälfte des Durchmessers wpsNV der Resonatorstruktur RS der
2e und2f . - Der Abstand dLNV der Außenkannte der zweiten vertikalen Leitung LV2 zum dem der zweiten vertikalen Leitung VL2 nächstgelegenen NV-Zentrum NV der
2g und2h sollte bevorzugt in der Größenordnung von 25nm liegen. Der Abstand dLNV der Außenkannte der zweiten vertikalen Leitung LV2 dem der zweiten vertikalen Leitung VL2 nächstgelegenen NV-Zentrum NV sollte also bevorzugt größer 24nm, schlechter größer 23nm, schlechter größer 20nm, schlechter größer 15nm, schlechter größer 10nm sein. Abstand dLNV der Außenkannte der zweiten vertikalen Leitung LV2 dem der zweiten vertikalen Leitung VL2 nächstgelegenen NV-Zentrum NV sollte also bevorzugt kleiner 26nm, schlechter kleiner 27nm, schlechter kleiner 30nm, schlechter kleiner 35nm, schlechter kleiner 45nm, schlechter kleiner 65nm sein. - Das Beispiel der Variante der
2g und2h demonstriert eine Variante mit einer Resonatorstruktur RS, die mehr als ein NV-Zentrum NV aufweist. Die Q-Nodes aus NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 und den jeweiligen 13C-Isotopen 13C befinden sich bevorzugt an der Spitze der Resonatorstruktur RS. In dem Beispiel der2g und2h weist die Resonatorstruktur RS ein erstes NV-Zentrum NV1 und ein zweites NV-Zentrum NV2 und ein drittes NV-Zentrum NV3 und ein viertes NV-Zentrum NV4 auf. - Das erste NV-Zentrum NV1 bildet mit einer ersten Menge von 13C-Isotopen 13C einen ersten Q-Node innerhalb der Resonatorstruktur RS.
- Das zweite NV-Zentrum NV2 bildet mit einer zweiten Menge von 13C-Isotopen 13C einen zweiten Q-Node innerhalb der Resonatorstruktur RS.
- Das dritte NV-Zentrum NV3 bildet mit einer dritten Menge von 13C-Isotopen 13C einen dritten Q-Node innerhalb der Resonatorstruktur RS.
- Das vierte NV-Zentrum NV4 bildet mit einer vierten Menge von 13C-Isotopen 13C einen vierten Q-Node innerhalb der Resonatorstruktur RS.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der ersten Menge und der zweiten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem ersten NV-Zentrum NV1 und einem 13C-Isotop 13C des zweiten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der ersten Menge und der dritten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem ersten NV-Zentrum NV1 und einem 13C-Isotop 13C des dritten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der ersten Menge und der vierten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem ersten NV-Zentrum NV1 und einem 13C-Isotop 13C des vierten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der zweiten Menge und der ersten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem zweiten NV-Zentrum NV2 und einem 13C-Isotop 13C des ersten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der zweiten Menge und der dritten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem zweiten NV-Zentrum NV2 und einem 13C-Isotop 13C des dritten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der zweiten Menge und der vierten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem zweiten NV-Zentrum NV2 und einem 13C-Isotop 13C des vierten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der dritten Menge und der ersten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem dritten NV-Zentrum NV3 und einem 13C-Isotop 13C des ersten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der dritten Menge und der zweiten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem dritten NV-Zentrum NV3 und einem 13C-Isotop 13C des zweiten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der dritten Menge und der vierten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem dritten NV-Zentrum NV3 und einem 13C-Isotop 13C des vierten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der vierten Menge und der ersten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem vierten NV-Zentrum NV4 und einem 13C-Isotop 13C des ersten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der vierten Menge und der zweiten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem vierten NV-Zentrum NV4 und einem 13C-Isotop 13C des zweiten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Schnittmenge der vierten Menge und der dritten Menge leer, wenn wir nur Kopplungsstärken mit einem Kopplungswert oberhalb eines Schwellkopplungswertes berücksichtigen. Das bedeutet, dass die Frequenzwerte der Kopplungsfrequenzen zwischen dem vierten NV-Zentrum NV4 und einem 13C-Isotop 13C des dritten Q-Nodes unterhalb einem Grenzfrequenzwert liegen.
- Bevorzugt ist die Resonatorstruktur RS zwischen der ersten vertikalen Leitung LV1 und der zweiten vertikalen Leitung LV2 angeordnet.
- Bevorzugt hat die Resonatorstruktur RS eine Breite wpmNV, die der Anzahl der Q-Nodes, d.h. der NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 innerhalb der Resonatorstruktur RS angepasst ist. In dem Beispiel der
3 umfasst der Resonatorstruktur RS beispielhaft vier NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4, die benutzt werden. - In dem Beispiel der
2g und2h ist die Resonatorstruktur RS ebenfalls eine beispielhafte zylindrische Struktur in Form eines Pfostens (Englisch Pillar) in dessen Diamantmaterial der Q_Node mit den beispielhaft vier NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 und den zugehörigen 13C-Isotopen 13C eingebettet ist. Der Durchmesser wpmNV der Resonatorstruktur RS der2g und2h mit mehreren Q-Nodes sollte im Falle der beispielhaften vier Q-Nodes bevorzugt in der Größenordnung von 150nm liegen. Der Durchmesser wpmNV der Resonatorstruktur RS der2g und2h mit mehreren Q-Nodes sollte im Falle der beispielhaften vier Q-Nodes also bevorzugt größer 149nm, schlechter größer 149nm, schlechter größer 145nm, schlechter größer 140nm, schlechter größer 120nm, schlechter größer 80nm sein. Der Durchmesser wpmNV der Resonatorstruktur RS der2g und2h mit mehreren Q-Nodes sollte im Falle der beispielhaften vier Q-Nodes also bevorzugt kleiner 151nm, schlechter kleiner 152nm, schlechter kleiner 155nm, schlechter kleiner 160nm, schlechter kleiner 170nm, schlechter kleiner 190nm , schlechter kleiner 230nm , schlechter kleiner 310nm sein. Ganz besonders bevorzugt ist der Durchmesser wpmNV der Resonatorstruktur RS der2g und2h mit mehreren Q-Nodes im Falle der beispielhaften vier Q-Nodes 150nm. - Eine ggf. vorhandene Isolationsschicht zwischen der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2 einerseits und dem Diamantsubstrat Dia andererseits ist zur Vereinfachung der Darstellung in den
2a bis2h nicht eingezeichnet. Ein mikrotechnischer Fertigungsprozess kann eine solche Isolationsschicht kann beispielsweise durch Laser-Deposition oder Aufsputtern oder ähnliche Vorgänge auf dem Diamantsubstrat Dia vor der Fertigung der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2 fertigen. Das Material einer solchen Isolationsschicht kann beispielsweise ein Oxid, wie beispielsweise SiO2 oder ein Nitrid wie BN umfassen. Die Isolationsschicht befindet sich, sofern vorhanden, also zwischen den vertikalen Leitungen VL1, VL2 und der zweiten Oberfläche OF2 des Diamantsubstrats Dia. Durch eine Vorspannung des Diamantsubstrats Dia gegenüber der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2 kann eine ggf. an der Grenzfläche zwischen erster vertikaler Leitung VL1 und zweiter vertikaler Leitung VL2 einerseits und Diamantsubstrat Dia andererseits vorhandene Schottky-Diode gesperrt werden, sodass dann die Notwendigkeit einer separaten Isolationsschicht entfällt. - Eine Bestromung der ersten vertikalen Leitung VL1 und/oder der zweiten vertikalen Leitung VL2 erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das eine Manipulation der NV-Zentren NV1, NV2, NV3. NV4 ermöglicht.
- Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den
2g und2h zwischen dem jeweiligen NV-Zentrum NV1, NV2, NV3, NV4 einerseits und der Oberfläche OF andererseits sollte wie zuvor bevorzugt größer als 5nm, besser größer als 10nm, besser größer als 15nm besser größer als 17nm, besser größer als 19nm sein. Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den2g und2h sollte daher vorzugsweise kleiner als 21nm, besser kleiner als 22nm, besser kleiner als 25nm besser kleiner als 30nm, besser kleiner als 40nm sein, besser kleiner als 60nm sein. Ganz besonders bevorzugt in dem Beispiel der den2g und2h sollte der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV 20nm sein. - Die
2i und2j schlagen eine Variante vor, die in dem Beispiel keine Resonatorstruktur RS aufweist, dafür aber eine zweite Ebene von Steuerleitungen, die von der ersten Ebene von Steuerleitungen, nämlich der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2, durch eine zweite Isolationsschicht OX2 elektrisch isoliert ist. - In dem Beispiel der
2i und2j sind eine erste horizontale Leitung HL1 und eine zweite horizontale Leitung HL2 vorgesehen, die in dieser zweiten Ebene der Steuerleitungen oberhalb der ersten Ebene von Steuerleitungen mit der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2 gefertigt sind und die von der ersten Ebene der Steuerleitungen mit der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2 durch die zweite Isolationsschicht OX2 elektrisch isoliert sind. - Die erste Ebene der Steuerleitungen mit der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2 ist in diesem Beispiel durch eine erste Isolationsschicht OX von dem Diamantsubstrat Dia elektrisch isoliert.
- In diesem Beispiel der
2i und2j weist die erste Ebene der Steuerleitungen zusätzliche Schirmleitungen auf, deren Bestromung weitere Freiheitsgrade zur Gestaltung des jeweiligen elektromagnetischen Feldes ermöglicht. - Die erste vertikale Leitung VL1 liegt zwischen der ersten vertikalen Schirmleitung VSL1 und der zweiten vertikalen Schirmleitung VLS2.
- Die zweite vertikale Leitung VL2 liegt zwischen der zweiten vertikalen Schirmleitung VSL2 und der dritten vertikalen Schirmleitung VLS3.
- Der erste Q-Node mit dem ersten NV-Zentrum NV1 befindet sich bevorzugt unter dem Kreuzungspunkt der ersten horizontalen Leitung HL1 mit der ersten vertikalen Leitung VL1. Hierdurch kann eine z.B. phasenversetzte Bestromung der ersten vertikalen Leitung VL1 und der ersten horizontalen Leitung HL1 ein zirkular polarisiertes Feld am Ort des Q-Nodes, also am Ort des ersten NV-Zentrums NV1 hervorrufen, das den Spin-Zustand der Elektronenkonfiguration des ersten NV-Zentrums NV1 manipulieren kann, wenn die Ansteuerung in geeigneter Weise erfolgt.
- Der zweite Q-Node mit dem zweiten NV-Zentrum NV2 befindet sich bevorzugt unter dem Kreuzungspunkt der ersten horizontalen Leitung HL1 mit der zweiten vertikalen Leitung VL2. Hierdurch kann eine z.B. phasenversetzte Bestromung der zweiten vertikalen Leitung VL2 und der ersten horizontalen Leitung HL1 ein zirkular polarisiertes Feld am Ort des Q-Nodes, also am Ort des zweiten NV-Zentrums NV2 hervorrufen, das den Spin-Zustand der Elektronenkonfiguration des zweiten NV-Zentrums NV2 manipulieren kann, wenn die Ansteuerung in geeigneter Weise erfolgt.
- Der dritte Q-Node mit dem dritten NV-Zentrum NV3 befindet sich bevorzugt unter dem Kreuzungspunkt der zweiten horizontalen Leitung HL2 mit der ersten vertikalen Leitung VL1. Hierdurch kann eine z.B. phasenversetzte Bestromung der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten horizontalen Leitung HL2 ein zirkular polarisiertes Feld am Ort des Q-Nodes, also am Ort des dritten NV-Zentrums NV3 hervorrufen, das den Spin-Zustand der Elektronenkonfiguration des dritten NV-Zentrums NV3 manipulieren kann, wenn die Ansteuerung in geeigneter Weise erfolgt.
- Der vierte Q-Node mit dem vierten NV-Zentrum NV4 befindet sich bevorzugt unter dem Kreuzungspunkt der zweiten horizontalen Leitung HL2 mit der zweiten vertikalen Leitung VL2. Hierdurch kann eine z.B. phasenversetzte Bestromung der zweiten vertikalen Leitung VL2 und der zweiten horizontalen Leitung HL2 ein zirkular polarisiertes Feld am Ort des Q-Nodes, also am Ort des vierten NV-Zentrums NV4 hervorrufen, das den Spin-Zustand der Elektronenkonfiguration des vierten NV-Zentrums NV4 manipulieren kann, wenn die Ansteuerung in geeigneter Weise erfolgt.
- In dem Beispiel der
2i und2j ist ein Rückseitenkontrakt BSC auf der Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats Dia vorgesehen, der eine Ableitung von Fotoelektronen der NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 ermöglicht. - Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den
2i und2j zwischen dem jeweiligen NV-Zentrum NV1, NV2, NV3, NV4 einerseits und der Oberfläche OF andererseits sollte wie zuvor bevorzugt größer als 5nm, besser größer als 10nm, besser größer als 15nm besser größer als 17nm, besser größer als 19nm sein. Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den2i und2j sollte daher vorzugsweise kleiner als 21nm, besser kleiner als 22nm, besser kleiner als 25nm besser kleiner als 30nm, besser kleiner als 40nm sein, besser kleiner als 60nm sein. Ganz besonders bevorzugt in dem Beispiel der den2i und2j sollte der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV 20nm sein. - Wie leicht erkennbar ist, ergeben sich hier vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der Konstruktionsvarianten. Im Sinne eines möglichst knappen Textes sind daher nicht alle Kombinationsmöglichkeiten explizit aufgeführt. Sie sind jedoch von der Offenlegung umfasst.
- Figur 3
- Die
3k und3l entsprechen den2g und2h mit dem Unterschied, dass die3k und3l eine zweite Isolationsschicht OX2 und eine erste horizontale Leitung HL1 und eine zweite horizontale Leitung HL2 vorsehen. Die Q-Nodes aus NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 und den jeweiligen 13C-Isotopen 13C befinden sich bevorzugt an der Spitze der Resonatorstruktur RS. Diese Schrift hier verweist in diesem Zusammenhang sinngemäß auf die Beschreibung zu den2g bis2j , um die Beschreibung knapp zu halten. - Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den
2k und2l zwischen dem jeweiligen NV-Zentrum NV1, NV2, NV3, NV4 einerseits und der Oberfläche OF andererseits sollte wie zuvor bevorzugt größer als 5nm, besser größer als 10nm, besser größer als 15nm besser größer als 17nm, besser größer als 19nm sein. Der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV in dem Beispiel der den2k und2l sollte daher vorzugsweise kleiner als 21nm, besser kleiner als 22nm, besser kleiner als 25nm besser kleiner als 30nm, besser kleiner als 40nm sein, besser kleiner als 60nm sein. Ganz besonders bevorzugt in dem Beispiel der den2k und2l sollte der Oberflächen-NV-Zentrumsabstand dOFNV 20nm sein. - Im Sinne dieser Schrift ist die erste horizontale Leitung HL1 eine Steuerleitung auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrat Dia;
- Im Sinne dieser Schrift ist die zweite horizontale Leitung HL2 eine Steuerleitung auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrat Dia;
-
3k zeigt wieder die Aufsicht, während3l wieder den Querschnitt zeigt. - Figur 4
-
4 zeigt noch einmal als4a die3i und als4b die3j . - Das erste NV-Zentrum NV1 und das erste 13C-Isotop 13C1,1 des ersten Q-Nodes und das zweite 13C-Isotop 13C1,2 des ersten Q-Nodes und das dritte 13C-Isotop 13C1,3 des ersten Q-Nodes und das vierte 13C-Isotop 13C1,4 des ersten Q-Nodes bilden den ersten Q-Node. Die Anzahl von vier 13C-Isotopen 13C1,1 , 13C1,2, 13C1,3, 13C1,4 als 13C-Isotope 13C1,1 13C1,2, 13C1,3, 13C1,4 des ersten Q-Nodes ist nur beispielhaft.
- Das zweite NV-Zentrum NV2 und das erste 13C-Isotop 13C2,1 des zweiten Q-Nodes und das zweite 13C-Isotop 13C2,2 des zweiten Q-Nodes und das dritte 13C-Isotop 13C2,3 des zweiten Q-Nodes und das vierte 13C-Isotop 13C2,4 des zweiten Q-Nodes bilden den zweiten Q-Node. Die Anzahl von vier 13C-Isotopen 13C2,1, 13C2,2 13C2,3, 13C2,4 als 13C-Isotope 13C2,1, 13C2,2, 13C2,3, 13C2,4 des zweiten Q-Nodes ist nur beispielhaft.
- Das dritte NV-Zentrum NV3 und das erste 13C-Isotop 13C3,1 des dritten Q-Nodes und das zweite 13C-Isotop 13C3,2 des dritten Q-Nodes und das dritte 13C-Isotop 13C3,3 des dritten Q-Nodes und das vierte 13C-Isotop 13C3,4 des dritten Q-Nodes bilden den dritten Q-Node. Die Anzahl von vier 13C-Isotopen 13C3,1, 13C3,2, 13C3,3, 13C3,4 als 13C-Isotope 13C3,1, 13C3,2, 13C3,3, 13C3,4 des dritten Q-Nodes ist nur beispielhaft.
- Das vierte NV-Zentrum NV4 und das erste 13C-Isotop 13C4,1 des vierten Q-Nodes und das zweite 13C-Isotop 13C4,2 des vierten Q-Nodes und das dritte 13C-Isotop 13C4,3 des vierten Q-Nodes und das vierte 13C-Isotop 13C4,4 des vierten Q-Nodes bilden den vierten Q-Node. Die Anzahl von vier 13C-Isotopen 13C4,1, 13C4,2, 13C4,3, 13C4,4 als 13C-Isotope 13C4,1, 13C4,2, 13C4,3, 13C4,4 des vierten Q-Nodes ist nur beispielhaft.
-
4 c zeigt einen größeren Ausschnitt der Aufsicht als4a . Alle Figuren dieser Schrift sind vereinfacht und zur besseren Darstellbarkeit nicht maßstabsgerecht. - Am Ende der Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats zeigt die jeweilige Steuerleitung eine massive Verbreiterung, die die Fertigung und/oder das Aufsetzen einer Lotkugel (Englisch solder ball oder solder bump) ermöglicht.
- Eine Lotkugel SBHL1 der ersten horizontalen Leitung HL1 ermöglicht den Anschluss der ersten horizontalen Leitung HL1 an den Lötkontakt einer nicht gezeigten gedruckten Schaltung.
- Eine Lotkugel SBHL2 der zweiten horizontalen Leitung HL2 ermöglicht den Anschluss der zweiten horizontalen Leitung HL2 an den Lötkontakt einer nicht gezeigten gedruckten Schaltung.
- Eine Lotkugel SBVL1 der ersten vertikalen Leitung VL1 ermöglicht den Anschluss der ersten vertikalen Leitung VL1 an den Lötkontakt einer nicht gezeigten gedruckten Schaltung.
- Eine Lotkugel SBVL2 der zweiten vertikalen Leitung VL2 ermöglicht den Anschluss der zweiten vertikalen Leitung VL2 an den Lötkontakt einer nicht gezeigten gedruckten Schaltung.
- Eine Masseanschluss GRD verbindet in dem Beispiel der
4c die erste vertikale Schirmleitung VSL1 und die zweite vertikale Schirmleitung VSL2 und die dritte vertikale Schirmleitung VLS3 miteinander. Eine Lotkugel SBGRD des Masseanschlusses GRD ermöglicht somit den Anschluss der ersten vertikalen Schirmleitung VSL1 und der zweiten vertikalen Schirmleitung VSL2 und der dritten vertikalen Schirmleitung VSL3 an den Lötkontakt einer nicht gezeigten gedruckten Schaltung, der bevorzugt ein Massekontakt ist. - Eine Mikrowellenantenne MWA auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia ermöglicht die Erzeugung eines Mikrowellenfeldes in der Nähe der NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4, was eine Beeinflussung und Manipulation dieser NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 und damit der Q-Nodes ermöglicht.
- In dem Beispiel der
5 erstreckt sich die Mikrowellenantenne MWA in beispielhafte Form einer Steuerleitung parallel zu einer Linie, die aus zwei NV-Zentren, hier beispielsweise dem zweiten NV-zentrum NV2 und dem dritten NV-Zentrum NV3 erstreckt. Hierdurch kann die von der Mikrowellenantenne MWA abgestrahlte elektromagnetische Mikrowellenstrahlung die NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 und damit den ersten Q-Node, den zweiten Q-Node den dritten Q-Node und den vierten Q-Node beeinflussen und die Zustände der Elektronenkonfiguration dieser NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 und die Spin-Zustände der 13C-Isotope 13C direkt oder indirekt beeinflussen. - Figur 5
-
5 zeigt eine beispielhafte reale Ausführung mehrerer Resonatorstrukturen RS auf der Oberfläche OF2 des Diamantsubstrats Dia. Die Q-Nodes sind zur besseren Übersicht nicht eingezeichnet. Bevorzugt umfassen Resonatorstrukturen RS des Beispiels der5 Q -Nodes. Diese Schrift verweist in diesem Zusammenhang auf die3 und4 , deren Kombination derer Merkmale mit den Merkmalen der5 von der Offenlegung mitumfasst sein soll. - Figur 6
-
6 zeigt ein einfaches Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die den Anschluss der Steuerleitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia mittels HF-Leitungen als Leitungen LTG erlaubt, die über Hochfrequenzsteckverbindungen, die bevorzugt sogenannte SMA-Buchsen SMA sind, an einem Ende der Leitung LTG verfügen. Bevorzugt sind die HF-Steckerverbinder auf der gedruckten Schaltung PCB weibliche HF-Steckverbinder. - In dem Beispiel der
6 ist die Unterseite des Diamantsubstrats nach oben ausgereichtet. Die Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats Dia ist entweder mit der Bodenfläche einer Aussparung WDW in einem Siliziumrahmen SiF in direktem, mechanischem Kontakt oder mit der Oberfläche einer gedruckten Schaltung PCB in direktem, mechanischem Kontakt. - Basis der Vorrichtung ist die besagte gedruckte Schaltung PCB, die die wesentliche andere Vorrichtungsteile der Vorrichtung trägt. Die gedruckte Schaltung PCB kann beispielsweise als Kunststoff schaltungsträger, beispielsweise als Epoxidharzplatine oder als Keramikplatine ausgeführt sein. Es kann sich auch um einen Halbleiterwafer oder eine Glasplatte oder dergleichen handeln, wobei diese Materialien wesentlich schwieriger zu verarbeiten sind. Ein Siliziumrahmen SiF ist auf der gedruckten Schaltung PCB aufgebrecht. Das Material des Siliziumrahmens SiF umfasst bevorzugt ein Halbleiter-Wafer-Material und zwar bevorzugt ein einkristallines Siliziummaterial. Bevorzugt verbindet eine Flip-Chip-Technik den Siliziumrahmen SiF mit den Leitungen der gedruckten Schaltung PCB elektrisch und mechanisch. Bevorzugt stellen Lotkugeln (Englisch Solder-Balls) die Verbindung der Leitungen der gedruckten Schaltung PCB und der Leitungen des Siliziumrahmens SiF her, die sich auf der Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens SiF befinden.
- In dem Beispiel der
6 verfügt der Siliziumrahmen über eine Aussparung WDW in die das Diamantsubstrat Dia eingefügt ist. Die Aussparung WDW ist in der6 nur als schwarzer Strich angedeutet. In dem Beispiel der der6 ist das Diamantsubstrat Dia beispielhaft quadratisch. In dem Beispiel der6 umfasst der Siliziumrahmen SiF eine beispielhaft quadratische Vertiefung in der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens SiF. Diese beispielhaft quadratische Öffnung, die Aussparung WDW, in der Oberfläche der Oberseite des Siliziumsubstrats SiF kann im Sinne dieser Schrift auch ein Durchbruchsöffnung ohne Bodenfläche in dem Siliziumrahmen SiF sein, die von der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens SiF zur Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens SiF reicht. Der Siliziumrahmen SiF kann also auch für sich alleine ein toplogisches Geschlecht größer 0 aufweisen. Beispielsweise kann die Anwendung einer DRIE-Ätztechnik die quadratische Öffnung in Form der Aussparung WDW in Verbindung mit einer in Mikrostrukturtechnik hergestellten Ätzmaske auf der Oberfläche der Oberseite oder Unterseite des Rohlings des Siliziumrahmens SiF schaffen. Bevorzugt weisen die Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens SiF und die Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens SiF elektrische Leitungen auf. Die elektrischen Leitungen sind bevorzugt das Ergebnis einer Fertigung mittels Mikrostrukturtechniken, wie sie in der Halbleitertechnologie üblich sind. Durchkontaktierungen, beispielsweise sogenannte Through-Silicon-Vias, verbinden in dem Beispiel der6 die elektrischen Leitungen auf der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens SiF mit den elektrischen Leitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens SiF Elektrisch. Beispielsweise kann die Anwendung einer DRIE-Ätztechnik auf den Rohling des Siliziumrahmens SiF die Öffnungen der Durchkontaktierungen als Aussparung WDW in Verbindung mit einer in Mikrostrukturtechnik hergestellten Ätzmaske auf der Oberfläche der Oberseite oder Unterseite des Rohlings des Siliziumrahmens SiF schaffen. Bevorzugt folgt eine Isolation der Wände der Durchkontaktierungsöffnungen beispielsweise mittels Oxidation und eine Füllung der verbleibenden Öffnung mit einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem hochdotierten polykristallinem Siliziummaterial. Das Material des Siliziumrahmens SiF umfasst bevorzugt im Wesentlichen einkristallines Silizium oder ein anderes einkristallines Halbleitermaterial. Die Bereitstellung des Materials des Siliziumrahmens SiF erfolgt bevorzugt als Wafer, insbesondere als Siliziumwafer, den der besagte DRIE-Prozess oder ein Sägeprozess beispielsweise mit einer Diamantsäge in einem letzten Arbeitsschritt dann in die individuellen Siliziumrahmen SiF für die spätere Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung trennt. - In dem Beispiel der
6 weist der beispielhafte Siliziumrahmen SiF wieder eine Nut Nu auf, die den Lichtwellenleiter LWL aufnimmt. Wie zuvor fixiert der Siliziumrahmen SiF den Lichtwellenleiter LWL mechanisch und richtet den Lichtwellenleiter LWL auf eine Seitenfläche des Diamantsubstrats Dia aus. Bevorzugt weist der das System aus Lichtwellenleiter LWL und Seitenfläche des Diamantsubstrats Dia eine Lichtauskoppelstruktur auf, die eine effiziente Einkopplung des Lichts des Laser-Systems LS aus dem Lichtwellenleiters LWL in das Diamantsubstrat Dia ermöglicht. Im einfachsten Fall ist diese Lichtauskoppelstruktur einfach das Ende des abgeschnittenen Lichtwellenleiters LWL. Bevorzugt ist die Lichtauskoppelstruktur eine Linse, die beispielsweise bei einem Aufschmelzen des Lichtwellenleiters LWL an dem Ende des Lichtwellenleiters LWL entstehen kann. - Wie bereits erläutert, weist der Siliziumrahmen SiF auf seiner Unterseite bevorzugt beispielsweise Lotkugeln (Englisch Solder-Balls) auf Pad-Flächen auf, die an Leitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens SiF und/oder die besagten elektrischen Durchkontaktierungen im Siliziumrahmen SiF elektrisch angeschlossen sein können. Diese Durchkontaktierungen im Siliziumrahmen SiF stellen also eine elektrische Verbindung der elektrischen Leitungen auf der Oberfläche der Oberseite der gedruckten Schaltung PCB zu den elektrischen Leitungen auf der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens SiF her.
- In dem Beispiel der
6 sind vier Bond-Pads BPAD beispielhaft eingezeichnet die die besagten, nicht gezeichneten Durchkontakterungen in dem Siliziumrahmen SiF und die besagten, nicht gezeichneten Leitungen auf der Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens SiF und die besagten, nicht gezeichneten Lotkugeln (Englisch Solder-Balls) mit teilweise nicht gezeichneten Leitungen der gedruckten Schaltung PCB elektrisch verbinden. - Die Vorrichtung der
6 weist als Diamantsubstrat Dia beispielhaft eine Vorrichtung gemäß der2g und2h auf. Das beispielhafte Diamantsubstrat Dia west in dem Beispiel der6 eine zweite Oberfläche OF2 und eine Oberfläche OF auf. Auf der zweiten Oberfläche OF2 auf der Oberseite des Diamantsubstrats Dia befindet sich eine Resonanzstruktur RS. Die Oberseite der Resonanzstruktur RS stellt in dem Beispiel der6 die Oberfläche OF dar. - In der Zusammenschau der
1 bis5 mit der6 offenbart die6 eine Reihe von Kombinationsmöglichkeiten der Merkmale der1 bis6 . Grundsätzlich sind die Kombinationen dieser Merkmale denkbar und hie als möglich offengelegt. Da der Fachmann von Fall zu Fall diese Kombinationen der Merkmale wählen wird, sind im Sinne der Knappheit dieser Schrift nicht alle Kombinationen explizit aufgeführt. Diese Kombinationen sind aber ausdrücklich Teil der Offenbarung dieser Schrift. - Die Struktur des Diamantsubstrats Dia mit der Resonanzstruktur RS und der ersten vertikalen Leitung VL1 und der zweiten vertikalen Leitung VL2 und dem Q-Node mit dem NV-Zentrum NV entspricht den
2g und2h , wobei die vier Q-Nodes durch genau einen Q-Node ersetzt sind. - Im Sinne dieser Schrift offenbart jedoch
6 auch die Verwendung von Konstruktionen des Diamantsubstrats Dia ohne eine Resonanzstruktur RS anstelle der Konstruktion des Diamantsubstrats Dia wie in6 unmittelbar dargestellt. - Im Sinne dieser Schrift offenbart jedoch
6 auch die Verwendung von Konstruktionen des Diamantsubstrats Dia mit nur einer vertikalen Leitung VL1 anstelle der Konstruktion des Diamantsubstrats Dia wie in6 unmittelbar dargestellten zwei vertikalen Leitungen VL1 und VL2. - Im Sinne dieser Schrift offenbart jedoch
6 auch die Verwendung von Konstruktionen des Diamantsubstrats Dia mit mehr als zwei vertikalen Leitungen anstelle der Konstruktion des Diamantsubstrats Dia wie in6 unmittelbar dargestellten zwei vertikalen Leitungen VL1 und VL2. - Im Sinne dieser Schrift offenbart jedoch
6 auch die Verwendung von Konstruktionen des Diamantsubstrats Dia mit einer oder mehr vertikalen Schirmleitungen (VSL1 bis VSL3) anstelle der Konstruktion des Diamantsubstrats Dia wie in6 ohne vertikale Schirmleitungen. - Im Sinne dieser Schrift offenbart jedoch
6 auch die Verwendung von Konstruktionen des Diamantsubstrats Dia mit einer oder zwei oder mehr horizontalen Leitungen (HL1, HL2) anstelle der Konstruktion des Diamantsubstrats Dia wie in6 ohne horizontale Leitungen. - Im Sinne dieser Schrift offenbart jedoch
6 auch die Verwendung von Konstruktionen des Diamantsubstrats Dia mit einer oder mehr vertikalen Schirmleitungen (VSL1 bis VSL3) anstelle der Konstruktion des Diamantsubstrats Dia wie in6 ohne vertikale Schirmleitungen. - Im Sinne dieser Schrift offenbart jedoch
6 auch die Verwendung von Konstruktionen des Diamantsubstrats Dia mit einer oder mehr horizontalen Schirmleitungen, wobei die horizontalen Schirmleitungen bevorzugt in der Eben der horizontalen Leitungen (HL1, HL2) liegen und relativ zu den horizontalen Leitungen HL1, HL2 bevorzugt in der Art angeordnet sind, wie die vertikalen Schirmleitungen VSL1 bis VSL3 relativ zu den vertikalen Leitungen VL1, VL2 angeordnet sind. - Die Resonanzstruktur RS verbessert das Austreten der Fluoreszenzstrahlung FL aus dem Diamantsubstrat Dia in den Luftraum über dem Diamantsubstrat Dia. Die hohe Brechzahl des Diamantmaterials des Diamantsubstrats Dia würde nur a. 3% der Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren NV, NV1, NV2, NV3, NV4 erlauben, in den Luftraum über dem Diamantsubstrat Dia auszutreten. Die anderen 97% der Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren NV, NV1, NV2, NV3, NV4 würden innerhalb des Diamantmaterials des Diamantsubstrats Dia an der Grenzfläche Diamant/Luft in das Diamantmaterial des Diamantsubstrats Dia ohne die Resonanzstruktur RS zurückgespiegelt und wären dann für die weitere Verwendung innerhalb der Vorrichtung verloren. Die Resonanzstruktur RS erleichtert den Austritt der der Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren NV, NV1, NV2, NV3, NV4 in den Luftraum über dem Diamantsubstrat Dia. Die vorgeschlagenen Resonanzstrukturen RS können der Anteil der Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren NV, NV1, NV2, NV3, NV4, der in den Luftraum über dem Diamantsubstrat Dia austritt, auf ca. 30% anheben.
- Zwei Bonddrähte BDW verbinden in dem Beispiel der
6 die erste vertikale Leitung VL1 auf dem Diamantsubstrat Dia mit zwei Bondpads BPAD. Zwei weitere Bonddrähte BDW verbinden in dem Beispiel der6 die zweite vertikale Leitung VL2 auf dem Diamantsubstrat Dia mit zwei weiteren Bondpads BPAD. Die besagten Durchkontaktierungen im Siliziumrahmen SiF verbinden über die elektrischen Leitungen auf der gedruckten Schaltung PCB hierdurch jeweils ein Ende jeweils einer der vertikalen Leitungen VL1, VL2 auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia mit jeweils einer SMA-Buchse SMA auf der gedruckten Schaltung PCB elektrisch. In dem Beispiel der6 befinden sich also die Auswerteschaltkreise und Ansteuerschaltkreise nicht auf der gedruckten Schaltung PCB oder dem Siliziumrahmen SiF, sondern in separaten Geräten, die Leitungen LTG mit den SMA-Buchsen SMA und damit an die vertikalen Leitungen VL1 und VL2 auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia anschließen. - Bevorzugt sind zumindest einige der Leitungen auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung PCB als HF-Leitungen ausgeführt. Bevorzugt handelt es sich um sogenannte Microstrip-Leitungen MSL oder Tri-Plate-Leitungen oder Schlitzleitungen. Mit einer Ausführung der Leitungen auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung PCB ist hierbei gemeint, dass die Leitungen bevorzugt auf oder innerhalb des Materials der gedruckten Schaltung PCB liegen und bevorzugt parallel zur Oberfläche der gedruckten Schaltung PCB geführt sind, wenn von Durchkontaktierungen zwischen verschiedenen Leiterbahnebenen abgesehen wird.
- Der mindestens eine Qu-Node ist in der Resonatorstruktur RS durch einen kleinen schwarzen Punkt in der
6 angedeutet. Der Q-Node umfasst in der6 zumindest ein NV-Zentrum NV und bevorzugt zumindest ein 13C Isotop 13C. - Der Lichtwellenleiter LWL strahlt die Pumpstrahlung LB des Lasersystems LS in das Diamantsubstrat Dia ein. Die Pumpstrahlung LB regt das mindestens eine NV-Zentrum NV innerhalb des Diamantsubstrats Dia zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung FL an. Das mindestens eine NV-Zentrum NV befindet sich bevorzugt als Teil eines Q-Nodes innerhalb der Resonatorstruktur RS, die im Sinne dieser Schrift Teil des Diamantsubstrats Dia ist. Bevorzugt sammelt ein optisches System, beispielsweise in Form einer Linse LEN, einen möglichst großen Teil dieser Fluoreszenzstrahlung FL und lenkt einen möglichst großen Teil der Fluoreszenzstrahlung FL des mindestens einen NV-Zentrums NV auf einen Fotodetektor SPD. Bevorzugt ist der Fotodetektor SPD ein besonders hochempfindlicher Fotodetektor SPD, der in der Lage ist, einzelne Photonen der Fluoreszenzstrahlung FL zu erfassen. Bevorzugt ist der Fotodetektor SPD nicht in der Lage, Photonen der Pumpstrahlung LB des Lasersystems LS zu erfassen. Beispielsweise kann in dem Strahlengang zwischen dem mindestens einen NV-Zentrum NV und dem Fotodetektor SPD ein optisches Filter vorgesehen sein, das Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge der Pumpstrahlung LB ausreichend weit dämpft, sodass für den beabsichtigten Zweck ein ausreichend geringer Anteil der Pumpstrahlung LB den Fotodetektor SPD erreicht oder bevorzugt praktisch keine Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge der Pumpstrahlung LB den Fotodetektor SPD erreicht. Bevorzugt ist die Vorrichtung zu diesem Zweck auch mit einem abschirmenden Gehäuse versehen, sodass keine Störstrahlung den Fotodetektor SPD erreichen kann. Bevorzugt transmittiert der optische Filter Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge der Fluoreszenzstrahlung FL. Bevorzugt erfolgt die Transmission der Fluoreszenzstrahlung FL und anderer Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge der Fluoreszenzstrahlung FL durch das optische Filter und das optische System LEN im Wesentlichen ungedämpft, sodass der beabsichtigte Zweck praktisch nicht beeinträchtigt wird.
- Figur 7
- Die technische Lehre der
7 ist ähnlich der technischen Lehre der6 . - In der Zusammenschau der
1 bis6 mit der7 offenbart die7 eine Reihe von Kombinationsmöglichkeiten der Merkmale der1 bis7 . Grundsätzlich sind die Kombinationen dieser Merkmale denkbar und hie als möglich offengelegt. Da der Fachmann von Fall zu Fall diese Kombinationen der Merkmale wählen wird, sind im Sinne der Knappheit dieser Schrift nicht alle Kombinationen explizit aufgeführt. Diese Kombinationen sind aber ausdrücklich Teil der Offenbarung dieser Schrift. - Basis der Konstruktion der
7 ist wieder eine gedruckte Schaltung PCB, bei der es sich beispielsweise wieder um eine Keramikplatte oder ein Epoxidharzplatine handeln kann. Auf der gedruckten Schaltung befinden sich Leitungen, die die Steuerschaltkreise und das Diamantsubstrat Dia elektrisch verbinden. Die gedruckte Schaltung PCB kann eine Mehrlagenverdrahtung umfassen. Die Verdrahtung oder Mehrlagenverdrahtung kann sich auf der Rückseite der gedruckten Schaltung und/oder auf der Vorderseite der gedruckten Schaltung PCB und/oder in dem Material der Platte der gedruckten Schaltung PCB selbst befinden. Die Leitungen unterschiedlicher Metallisierungsebenen der gedruckten Schaltung PCB können durch Durchkontaktierungen verbunden sein. Leitungen der gedruckten Schaltung PCB können Mikrostrip-Leitungen, auch Streifenleitungen genannt, sein. Es kann sich auch bei Leitungen der gedruckten Schaltung PCB um Schlitzleitungen oder Tri-Plate-Leitungen handeln. - In dem Beispiel der
7 befindet sich das Diamantsubstrat Dia auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung. PCB. Die Orientierung des Diamantsubstrats Dia ist die gleiche wie die Orientierung des Diamantsubstrats Dia in der7 , die hierdurch Teil des Offenbarungsgehalts der7 ist. - Beispielsweise kann ein nicht gezeichneter Kleber das Diamantsubstrat Dia an der gedruckten Schaltung PCB befestigen.
- Die SMA-Buchsen SMA ermöglichen die elektrische Verbindung von Leitungen der gedruckten Schaltung PCB mit Leitungen LTG zum Anschluss von Steuer- und Auswertegeräten. Beispielsweise können sie den Anschluss eines übergeordneten Rechnersystems PC ermöglichen.
- In dem Beispiel der
7 befindet sich ein erster Radiofrequenzsignalgenerator RF1 auf der gedruckten Schaltung PCB. In dem Beispiel der7 befestigt eine beispielhafte Flip-Chip-Technik den ersten Radiofrequenzgenerator RF1 auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung PCB. Die Flip-Chip-Technik verbindet dabei bevorzugt Leitungen des ersten Radiofrequenzgenerators RF1 elektrisch mit Leitungen der gedruckten Schaltung PCB. Ein Bond-Draht BDW verbindet die erste vertikale Leitung VL1 auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia elektrisch mit einer Leitung der gedruckten Schaltung PCB und damit mit einer Leitung des ersten Radiofrequenzgenerators RF1. - Über diesen Bond-Draht BDW kann so der erste Radiofrequenzgenerator RF1 die erste vertikale Leitung VL1 in dem Beispiel der
7 elektrisch ansteuern und betreiben. - In dem Beispiel der
7 befindet sich ein zweiter Radiofrequenzsignalgenerator RF2 auf der gedruckten Schaltung PCB. In dem Beispiel der7 befestigt eine beispielhafte Flip-Chip-Technik den zweiten Radiofrequenzgenerator RF2 auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung PCB. Die Flip-Chip-Technik verbindet dabei bevorzugt Leitungen des zweiten Radiofrequenzgenerators RF2 elektrisch mit Leitungen der gedruckten Schaltung PCB. Ein Bond-Draht BDW verbindet die zweite vertikale Leitung VL2 auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia elektrisch mit einer Leitung der gedruckten Schaltung PCB und damit mit einer Leitung des zweiten Radiofrequenzgenerators RF2. Über diesen Bond-Draht BDW kann so der erfasste Signalstärke auf der ersten vertikalen Leitung VL1 die zweite vertikale Leitung VL2 in dem Beispiel der7 elektrisch ansteuern und betreiben. - Ein erster Verstärker AMP1 und ein Steuerschaltkreis CTR überwachen die erste vertikale Leitung VL1 und die zweite Vertikale Leitung VL2. In dem Beispiel der
7 meldet der erste Verstärker AMP1 die von ihm erfasste Signalstärke auf der ersten vertikalen Leitung VL1 an den Steuerschaltkreis CTRL. - Der Steuerschaltkreis selbst erfasst in dem Beispiel der
7 über einen solchen Verstärker zur Erfassung der Signalstärke auf der zweiten vertikalen Leitung VL2. Bevorzugt umfassen diese Verstärker ggf. auch einen Analog zu Digital-Wandler. Der Analog-zu-Digital-Wandler kann auch im Steuerschaltkreis CTRL einmalig vorhanden sein. In dem Fall erfolgt die Kommunikation zwischen Dem ersten Verstärker AMP1 und dem Steuerschaltkreis bevorzugt hinsichtlich der erfassten Signalstärke auf der ersten vertikalen Leitung VL1 analog. - Der Steuerschaltkreis CTRL vergleicht bevorzugt die erfasste Signalstärke auf der ersten vertikalen Leitung VL1 mit einer vorgegebenen Referenzsignalstärke und veranlasst bevorzugt den ersten Radiofrequenzgenerator RF1 seine Leistung im Falle einer Abweichung zwischen vorgegebener Referenzsignalstärke und erfasster Signalstärke auf der ersten vertikalen Leitung VL1 so nachzuregeln, dass die Abweichung zwischen vorgegebener Referenzsignalstärke und erfasster Signalstärke auf der ersten vertikalen Leitung VL1 sich verringert.
- Der Steuerschaltkreis CTRL vergleicht bevorzugt die erfasste Signalstärke auf der zweiten vertikalen Leitung VL2mit einer vorgegebenen Referenzsignalstärke und veranlasst bevorzugt den zweiten Radiofrequenzgenerator RF2 seine Leistung im Falle einer Abweichung zwischen vorgegebener Referenzsignalstärke und erfasster Signalstärke auf der zweiten vertikalen Leitung VL2 so nachzuregeln, dass die Abweichung zwischen vorgegebener Referenzsignalstärke und erfasster Signalstärke auf der zweiten vertikalen Leitung VL2 sich verringert.
- Im Falle des Vorhandenseins weiterer Steuerleitungen auf dem Diamantsubstrat Dia erfasst der Steuerschaltkreis CTR bevorzugt ggf. mit Hilfe weiterer Schaltkreise bevorzugt die Signalstärke auf der betreffenden Steuerleitung auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia. Der Steuerschaltkreis CTRL vergleicht bevorzugt die so erfasste Signalstärke auf der weiteren Steuerleitung auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia mit einer vorgegebenen Referenzsignalstärke für diese Steuerleitung auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia und veranlasst bevorzugt die Vorrichtung, die diese weitere Steuerleitung auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia ansteuert, ihre Leistung im Falle einer Abweichung zwischen vorgegebener Referenzsignalstärke und erfasster Signalstärke auf dieser Steuerleitung auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia so nachzuregeln, dass die Abweichung zwischen vorgegebener Referenzsignalstärke und erfasster Signalstärke für diese Steuerleitung auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia sich verringert.
- In dem Beispiel der
7 befindet sich ein Mikrowellengenerator MW auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia, der ein Mikrowellensignal in eine Antenne an der Unterseite des Diamantsubstrats Dia über eine Leitung der gedruckten Schaltung einspeist. In dem Beispiel der7 ist der Mikrowellengenerator MW mittels einer Flip-Chip-Technik mit der entsprechenden Leitung auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung PCB verbunden. - Im Falle der
7 hat der Siliziumrahmen SiF ein topologisches Geschlecht von 0. Der Siliziumrahmen SiF ist also nicht als Rahmen, sondern nur als Klötzchen ausgeführt. Das zuvor geschriebene trifft trotzdem auch hier beispielhaft zu. Der Siliziumrahmen SiF befindet sich auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung PCB. Bevorzugt fixiert ein nicht gezeichneter Kleber den Siliziumrahmen SiF mechanisch mit der gedruckten Schaltung PCB. In dem Beispiel der7 weist der Siliziumrahmen SiF eine Nut Nu auf, die an der Oberfläche des Siliziumrahmens SiF wieder schmaler ist als in der Nähe des Bodens der Nut Nu. Bevorzugt ätzt ein anisotroper Ätzprozess diese Nut Nu während des Fertigungsprozesses des Siliziumrahmens SiF. - Der Lichtwellenleiter LWL bestrahlt das NV-Zentrum NV bzw. die NV-Zentren in dem Diamantsubstrat Dia mit Pumpstrahlung LB. Zur mechanischen Fixierung und Ausrichtung befindet sich der Lichtwellenleiter LWL in der besagten Nut Nu des Siliziumrahmens SiF. Der Lichtwellenleiter LWL ist somit letztlich mit dem NV-Zentrum NV und/oder den NV-Zentren mittels mikrotechnischer Vorrichtungen mechanisch verbunden. Hierdurch ist die Schwingfrequenz des Systems heraufgesetzt, was die Einkopplungsmöglichkeiten eines thermischen 1/f Rauschens in das Gesamtsystem herabsetzt.
- Schließlich sollte noch erwähnt werden, dass in dem Diamantsubstrat Dia bevorzugt ein oder mehrere Q-Nodes mit einem oder mehreren NV-Zentren NV angeordnet sind. Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, umfasst das Diamantsubstrat Dia eine Resonatorstruktur RS. Sofern diese Resonatorstruktur RS vorhanden ist, Sind die Q-Nodes mit dem oder den NV-Zentren NV bevorzugt innerhalb der Resonatorstruktur RS angeordnet. Bevorzugt sind die NV-Zentren NV, sofern die Vorrichtung mehrere NV-Zentren NV benutzt, so dicht beieinander angeordnet, dass sie zumindest paarweise miteinander koppeln können. Bevorzugt umfasst jeder Q-Node ein oder mehrere NV-zentren und ein oder mehrere 13C-Isotope 13C.
- Figur 8
- Die technische Lehre der
8 ist ähnlich der technischen Lehre der6 und7 . - In der Zusammenschau der
1 bis7 mit der8 offenbart die8 eine Reihe von Kombinationsmöglichkeiten der Merkmale der1 bis8 . Grundsätzlich sind die Kombinationen dieser Merkmale denkbar und hie als möglich offengelegt. Da der Fachmann von Fall zu Fall diese Kombinationen der Merkmale wählen wird, sind im Sinne der Knappheit dieser Schrift nicht alle Kombinationen explizit aufgeführt. Diese Kombinationen sind aber ausdrücklich Teil der Offenbarung dieser Schrift. - Die beispielhafte
8 entspricht im Wesentlichen der7 mit dem Unterschied, dass eine Kombination eines Interposers eWLB mit einem Keramikträger Cer die gedruckte Schaltung PCB ersetzt. Die Verwendung eines Keramikträgers Cer ist für Hochfrequenzanwendungen, wie die Ansteuerung der Q-Nodes besonders geeignet. Der Interposer eWLB ermöglicht die dichte Verdrahtung der Leitungen in der Nähe des Diamantsubstrats Dia. - Diese Schrift verweist ausdrücklich auf die Beschreibungen der
1 und7 in diesem Zusammenhang. - Figur 9
-
9 zeigt beispielhaft wesentliche Schritte für die Herstellung einer der zuvor vorgestellten Vorrichtungen. - Die Verfahren beginnen mit einem Schritt a (
9a) der Bereitstellung eines vorzugsweise monokristallinen Diamantsubstrats Dia. Die Oberfläche des Diamantsubstrats Dia ist auf der Oberfläche OF des Diamantsubstrats bevorzugt poliert. Bevorzugt sind die Oberfläche OF3 der Oberseite des Diamantsubstrats Dia poliert und die Oberfläche OF4 der Unterseite des Diamantsubstrats Dia poliert. Bevorzugt ist die Oberfläche OF3 der Oberseite des Diamantsubstrats Dia zumindest teilweise planparallel zur Oberfläche OF4 der Unterseite des Diamantsubstrats Dia. - In einem zweiten Schritt (
9b) erfolgt eine Qualitätskontrolle des bereitgestellten Diamantsubstrats Dia. - In einem dritten Schritt (
9c ) erfolgt die Vorbereitung der Oberfläche OF3 der Oberseite des Diamantsubstrats Dia und/oder der Oberfläche OF4 der Unterseite des Diamantsubstrats Dia vor dem Überwachsen der betreffenden Oberfläche mit einer epitaktischen Diamantschicht DEPI. In einem ersten Unterschritt dieses dritten Prozessschritts (9c ) erfolgt bevorzugt eine nasschemische Reinigung und/oder Reinigung der betreffenden Oberfläche mit einem Plasma. Bevorzugt trägt ein induktiv gekoppeltes Plasma-Reaktiv-lonen-Ätzen (ICP-RIE) in diesem Prozessschritt (9c ) einige Mikrometer von der zu reinigenden Oberfläche der Unterseite bzw. der Oberseite des Diamantsubstrats Dia ab. Diese Reinigungsschritte des dritten Prozessschritts (9c ) entfernen potenziell beschädigtes Material an der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia, das beim Schneiden und Polieren des Diamantsubstrats Dia bei der Herstellung des Diamantsubstrats Dia möglicherweise entstanden ist. Eine solche Zerrüttungs- und Schädigungszone an der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia kann zu Spannungen in der obersten Schicht an dieser betreffenden Oberfläche der Oberseite bzw. der Unterseite des Diamantsubstrats Dia führen. Von solchen mechanischen Spannungen ist bekannt, dass sie relevante Eigenschaften der flach unmittelbar unter der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia später implantierten NV-Zentren NV verschlechtern können. Durch das Ätzen wird die betreffende Oberfläche des Diamantsubstrats Dia zusätzlich geglättet. Bevorzugt beträgt die rms-Rauheit der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats schlechter weniger als 0,02nm und/oder schlechter weniger als 0,05nm und/oder schlechter weniger als 0,1nm und/oder schlechter weniger als 0,2nm und/oder schlechter weniger als 0,5nm und/oder schlechter weniger als 1nm und/oder schlechter weniger als 2nm und/oder schlechter weniger als 5nm. Besonders bevorzugt beträgt die rms-Rauheit der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats weniger als 0,5nm, da dieses Maß erfahrungsgemäß ausreichend ist und einen guten kommerziellen Kompromiss darstellt. - In einem vierten Schritt (
9d ) erfolgt optional die Abscheidung einer epitaktischen Schicht auf der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia. In diesem vierten Prozessschritt (9d ) kann eine Abscheidung einer epitaktischen Diamantschicht auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia erfolgen und/oder eine Abscheidung einer epitaktischen Diamantschicht auf der Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats Dia erfolgen. - Die optionale Abscheidung der epitaktischen Diamantschichten auf den betreffenden Oberflächen des Diamantsubstrats Dia stellt ein nanoskaliges Engineering des Diamantmaterials der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia dar. Beispielsweise führen zum Zeitpunkt der Dokumentation dieser Schrift neue Messungen zu der Vermutung, dass der Wasserstoffgehalt in dem Diamantmaterial der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia die Kohärenzstabilität (T2-Zeiten) und die Konversionseffizienz zur Erzeugung eines NV-Zentrums NV nach einer Stickstoffimplantation in das Diamantmaterial der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia beeinflusst. Eine vorzugsweise plasmaunterstützte Abscheidung von Kohlenstoff überzieht in einem metastabilen Diamantabscheideprozess die betreffende Oberfläche des Diamantsubstrats Dia mit einer vorzugsweise im wesentlichen zunächst isotopenreinen 12C-Diamantschicht als epitaktische Diamantschicht DEPI auf der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats. Hinsichtlich des Begriffs Isotopenreinheit sei hier auf die Schrift
WO 2021 083 448 A1 aus dem Stand der Technik verwiesen. Sofern in den vorausgegangenen1 bis8 von einem Diamantsubstrat Dia die Rede war, kann hier in dieser Schrift angenommen werden, dass ggf. die Diamantsubstrate Dia mit oder ohne eine solche epitaktische Diamantschicht DEPI in den1 bis8 verwendet werden. Bevorzugt weist die epitaktische Diamantschicht DEPI einen geringem Wasserstoffgehalt auf. Typischerweise mischt die Abscheidevorrichtung geringe Mengen des Kohlenstoffisotops 13C dem Gasgemisch zu, das die Abscheidevorrichtung für die Abscheidung der epitaktischen Diamantschicht DEPI auf der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia benutzt. Eine Einstellung der Abscheideparamerter der Abscheidevorrichtung während der Abscheidung der epitaktischen Diamantschicht lässt die Steuerung der mechanischen Spannung der abgeschiedenen epitaktischen Diamantschicht DEPI auf der betreffenden Oberfläche des Diamantsubstrats Dia. Die technische Lehre dieser Schrift nimmt an, das Wasserstoff in der abgeschiedenen epitaktischen Diamantschicht DEPI auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia später erzeugte NV-Zentren NV zu NV-H-Komplexen modifizieren kann, wobei ein NV-zentrum NV dann ein Proton, also das Ion des Wasserstoffs einfängt und damit unbrauchbar wird. D.h. Ein NV-Zentrum NV ist eine potenzielle Falle (Englisch Trap) für Wasserstoff. Obwohl die Diffusionsraten in dem Material Diamant typischerweise verschwindend klein sind kann der Wasserstoff, also das Proton als Ion des Wasserstoffs, während einer Wärmebehandlung unter Schutzgas oder im Vakuum m Diamantmaterial der auf der Oberfläche des Diamantsubstrats DEPI abgeschiedenen epitaktischen Diamantschicht DEPI diffundieren. Die bei der Abscheidung der epitaktischen Diamantschicht DEPI beigemischten 13C-Isotope 13C liefert die Kernspins für die nuklearen Quantenbits, die zusammen mit den Elektronenkonfigurationen der NV-Zentren NV, die die Quantenbits darstellen, die Q-Nodes bilden. Die Konzentration der 13C-Isotope 13C in der epitaktischen Diamantschicht DEPI beeinflusst aber auch die T2-Zeiten der NV-Zentren NV. Daher ist ein Kompromiss zwischen einem hohen Gehalt und einem niedrigen Gehalt an 13C-Isotopnen 13C in der epitaktischen Diamantschicht DEPI notwendig. Ein hoher Gehalt an 13C-Isotopen 13C in der epitaktischen Diamantschicht DEPI ermöglicht die Koppelung der Kernspins vieler 13C-Isotope 13C mit jeweils einem NV-Zentrum NV. Eine geringe Menge an 13C-Isotopen 13C in der Nähe eines NV-Zentrums NV ermöglichen zum einen längere T2-Zeiten des NV-Zentrums NV und zum anderen eine bessere Adressierbarkeit der verschiedenen Paare aus NV-Zentrum NV und 13C-Isotop 13C. Bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift wurde erkennt, dass ein Gehalt von 3%-5% Atomprozent an 13C-Isotopen 13C unter den C-Atomen optimal zu sein scheint. - Der darauffolgende Prozessschritt (
9e) erzeugt die NV-Zentren NV in dem Diamantsubstrat Dia und zwar bevorzugt in der epitaktischen Diamantschicht DEPI die ab hier als teil des Diamantsubstrats Dia betrachtet wird. Bevorzugt führt dieser Prozessschritt ein Verfahren gemäß der technischen Lehre derWO 2020 260 640 A1 zur lokalisierten Herstellung von NV-Zentren NV aus. Beispielsweise können in diesem Verfahrensschritt (9e) Verfahren ähnlich derDE 10 2004 032 451 B4 für die ortsgenaue Implantation einzelner Stickstoffatome eingesetzt werden. - Bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift wurde erkannt, dass es günstig ist, wenn die Implantationsvorrichtung Stickstoffatomen in die Oberfläche OF des Diamantsubstrats Dia, bzw. in die Oberfläche OF der epitaktischen Diamantschicht Dia dadurch implantiert, dass sie elektrisch geladene Stickstoff-Molekül N2 implantiert. Hierdurch bleiben die Stickstoffatome bis zum Aufschlag auf die Oberfläche OF des Diamantsubstrats Dia während der Implantation nahe beieinander. Hierdurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die aus diesen beiden Stickstoffatomen gebildeten zwei NV-Zentren Nv später tatsächlich koppeln können. Die Methode der N2-implantation eignet sich besonders für die Herstellung von 2 Q-Nodes für ein bei Raumtemperatur arbeitende 8 Qbit-System mit 2 NV-Zentren als NV-Zentren Nv dieser beiden Q-Nodes. Die übrigen Qits bilden die nuklearen Qbits der umgebenden 13C-Isotope 13C. Erfahrungsgemäß ist es möglich, diese 8 Qbits noch mittels optisch auszulesen. Dies Methode der N2-Impantation erlaubt die Erzeugung einer großen Anzahl von Paaren von NV-Zentren NV in einer Tiefe von ca. 10nm bis 20nm unter der Oberfläche OF des Diamantsubstrats Dia und in einem lateralen Abstand der NV-Zentren NV innerhalb eines solchen NV-Zentren-Paares von 10-20 nm. Bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift wurde erkannt, dass eine Dotierung des Diamantsubstrats Dia bzw. der epitaktischen Diamantschicht DEPI mit Schwefel und/oder Phosphor und/oder Sauerstoff die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines NV-Zentrums NV aus einem implantierten Stickstoffatom erhöht. Diese Schrift empfiehlt daher die Implantation von Schwefelionen in der Nähe der vorgesehenen Orte der Q-Nodes bzw. in der Nähe der vorgesehenen Orte der herzustellenden NV-Zentren NV. Dieses Vorgehen stellt eine Optimierung für eine Dipol-Dipol-Kopplung mit einer hohen Konversionsrate der implantierten Stickstoffatome zu NV-Zentren dar. Die hier vorgeschlagene n-Typ Hintergrunddotierung mit Sauerstoff, Phosphor oder bevorzugt Schwefel führt zu stabiler negativ geladenen NV-Zentren NV und einer Verbesserung der T2-Zeiten der NV-zentren NV. Die Ausbeute an NV-Zentren NV bei der NV-Erzeugung mittels Stickstoffimplantation wurde durch die Verwendung von Schwefel um eine Größenordnung auf 75% gesteigert und liegt oberhalb der Perkolationsschwelle in einem 2D-Gitter, so dass man sehr große zusammenhängende Cluster erhält, wenn man ein großes Array von NVs anordnet. Ein 4 Q-Node Array (24 Qbits mit 4 NV) wird durch Einzel-N-Implantation mit einem Abstand von 20 nm unter Verwendung einer Kontaktmaske hergestellt. An dieser Stelle verweist diese Schrift auf die Schriften
WO 2021 083 448 A1 undWO 2020 260 640 A1 , deren technische Lehre, soweit dies das Rechtssystem eines Anmeldelandes bei einer späteren Nationalisierung nach einer internationalen Anmeldung erlaubt, vollumfänglicher Teil der hier vorgelegten Offenlegung ist. - Nach der Implantation der Stickstoffatome schließt ein Teilprozessschritt einer Temperaturbehandlung zur Ausheilung der Strahlenschäden und zur Bildung der NV-Zentren NV diesen Prozessschritt (
9e) ab. Ggf. folgt nochmals ein Reinigungsschritt mittels einer Plasmareinigung oder nasschemisch zur Entfernung ggf. gebildeten Graphits. - Ein folgender sechster Prozessschritt (
9f) erzeugt ein Gitter (Englisch Array) aus Nanosäulen. Diese Nanosäulen bilden die oben beschrieben Resonatorstrukturen RS. Wie oben beschrieben umfassen diese Nanosäulen bevorzugt die Q-Nodes, die die zuvor gebildeten NV-zentren NV und die jeweiligen 13C-Isotope 13C umfassen. Diese Resonatorstrukturen RS heben die Photonensammeleffizienz und ermöglichen eine effiziente Auskopplung aus der Null-Phononen-Linie (ZPL) der NV-Zentren NV zu erreichen. Hier verweist diese Schrift auf die technische Lehre derWO 2021 083 448 A1 . Typischerweise erhöhen diese Resonatorstrukturen RS die Photonenausbeute um einen Faktor 10. Die Fertigung dieser Resonatorstrukturen RS nutzt bevorzugt die Elektronenstrahllithographie (EBL) und ICP-RIE-Ätzprozesse, um die Nanosäulen der Resonatorstrukturen RS mit den gewünschten Durchmessern, Höhen und Mittenabständen herzustellen. Als letzter Unterschritt dieses Prozessschritts (9f) wendet das Verfahren eine Oberflächenplasmamodifikation an, um eine O- oder F-Terminierung der freien Kohlenstoffbindungen der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia zu erreichen, was zu einer maßgeschneiderten Biegung der Bandkante des Energieschemas des Diamantsubstrats Dia in der Nähe der so behandelten Oberfläche des Diamantsubstrats Dia führt. Diese eingestellte Biegung der Bandkante des Energieschemas des Diamantsubstrats Dia in der Nähe der so behandelten Oberfläche des Diamantsubstrats Dia stabilisiert die den negativen Ladungszustand der in der Nähe der Oberfläche in einer typischen Tiefe von 10nm bis 20nm hier erzeugten NV-Zentren NV. - Im siebten Prozessschritt (
9g) erfolgt ein optisches Adressieren der NV-Zentren NV und die Kontrolle der richtigen Fertigung der NV-Zentren NV. Sofern nur wenige Q-Nodes gefertigt wurden, kann das hergestellte Diamantsubstrat Dia bereits als Basis für einen einfachen Quantenprozessor verwendet werden. - Sofern notwendig, kann nun eine Nanolithographie zur Adressierung einzelner Q-Nodes auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia stattfinden. Um die Kopplung des Elektronenspins eines NV-Zentrums NV an den Kernspin der 13C-Isotope 13C sowie die magnetische Dipol-Dipol-Kopplung benachbarter NV-Zentren NV in dem Diamantsubstrat Dia zu initiieren und so die Verschränkung zu erzeugen, ist es notwendig, einzelne Q-Nodes durch ein dediziertes Radiowellensignal oder Mikrowellensignal ansprechen zu können. Die Auflösungsanforderungen für das lithografische Herstellungsverfahren der ersten und/oder zweiten vertikalen Leitung und/oder der ersten und/oder zweiten horizontalen Leitung liegen bei ca. 20nm. Das photoelektrische Auslesen erfordert ein noch anspruchsvolleres Design mit Metalllinien von 10nm-15nm. Ein Verfahren auf Basis der Rastersondenmikroskopie kann beispielsweise ein entsprechendes Metallgitter dieser Leitungen lithographisch auf der Oberfläche des Diamantsubstrats Dia herstellen. Hierzu verwendet dieses beispielhafte Verfahren auf Basis der Rastersondenmikroskopie vorzugsweise eine ultrascharfe elektronenemittierende Spitze. Eine solche ultrascharfe elektronenemittierende Spitze ermöglicht die Erzeugung von Metalllinien mit einer Größe von nur 5 nm.
- Ein achter Verfahrensschritt (
9h) stellt den bereits erwähnten Siliziumrahmen SiF her. Hierzu erzeugt ein fotolithografischer Prozess, wie er für MEMS-Technologien aus dem Stand der Technik bekannt ist, den Silizumrahmen SiF mit den darauf befindlichen Leitungen und ggf. notwendigen Durchkontaktierungen. - Der 3D-strukturierte Siliziumrahmen SiF stellen eine hervorragende Möglichkeit dar, das Diamantsubstrat Dia mit integrierten Q-Nodes aufzunehmen und mit der Außenwelt zu verbinden.
- Der Herstellungsprozess kann solche Siliziumrahmen SiF durch die Integration von Durchkontaktierungen für die elektrische Verbindung unterschiedlicher Verdrahtungsebenen in der Metallisierung des Siliziumrahmens SiF und/oder für optische Öffnungen in dem Siliziumrahmen SiF für eine hochpräzise mechanische Fixierung optischer Lichtwellenleiter LWL an dem Siliziumrahmen SiF funktionalisieren.
- Ein Die-Bonding-Prozess verbindet bevorzugt mittels eines Klebers in dem Beispiel der
9 das Diamantsubstrat Dia mit dem Siliziumrahmen SiF. In dem Beispiel der9h weist der Siliziumrahmen bevorzugt eine Vertiefung mit einer Bodenfläche auf, in die der verfahrensschritt mittels des Die-Bonding-verfahrens das Diamantsubstrat Dia unter Nutzung eines Klebers einklebt. - In dem Beispiel der
9h stellt ein sogenannter Wire-Bonding-Prozess die elektrischen Verbindungen zwischen der ersten vertikalen Leitung VL1 und einem Anschluss einer Leitung auf dem Siliziumrahmen SiF beispielhaft mittels einer beispielhaften Golddrahtbondung her. - In dem Beispiel der
9h stellt ein sogenannter Wire-Bonding-Prozess die elektrischen Verbindungen zwischen der zweiten vertikalen Leitung VL2 und einem anderen Anschluss einer anderen Leitung auf dem Siliziumrahmen SiF beispielhaft mittels einer beispielhaften Golddrahtbondung her. - Der beispielhafte Siliziumrahmen weist eine Nut Nu für die spätere Aufnahme des Lichtwellenleiters auf, die der Herstellungsprozess des Siliziumrahmens bevorzugt mittels eines anisotropen Ätzprozesses erzeugt.
- In einem neunten Prozessschritt (
9j) bringt ein Montageverfahren das Halbzeug aus Siliziumrahmen SiF und Diamantsubstrats Dia der9h auf ein Keramiksubstrat Cer oder eine gedruckte Schaltung PCB auf. Bevorzugt handelt es sich bei dem Montageverfahren um eine Flip-Chip-Montagetechnik, bei der Lotkugeln (Englisch Solder-Bumbs) den Siliziumrahmen SiF mit dem Diamantsubstrats Dia mechanisch an dem Keramiksubstrat Cer oder der gedruckten Schaltung PCB befestigen und die elektrischen Verbindungen zwischen Leitungen des Siliziumrahmens SiF und den Leitungen des Keramiksubstrats Cer bzw. der gedruckten Schaltung PCB herstellen. In dem Beispiel der9j sind SMA-Verbinder SMA vorgesehen, um den Anschluss von Hochfrequenzleitungen LTG zu ermöglichen. - Der Fertigungsprozess führt einen Lichtwellenleiter LWL in die Nut Nu ein. Vorzugsweise verbindet ein Kleber den Lichtwellenleiter LWL mit den Wänden der Nut Nu, sodass der Lichtwellenleiter mechanisch mit dem Siliziumrahmen SiF durch Klemmung oder Klebung mechanisch fest verbunden ist.
- In der
9j sind eine Reihe Bezugszeichen der9h zur besseren Übersicht nicht gezeichnet. Sie sind aber anwendbar. - In einem letzten Schritt (
9I ) wird die so erstelle Vorrichtung in ein Gehäuse eingebaut, das die Vorrichtung bevorzugt vor der Einstrahlung elektromagnetischer Wellen und statischer und quasistatischer elektrodynamischer Felder schützt. - Es sind verschiedenste Aufbauten und Variationen dieses Prozesses der
9 denkbar. Daher ist der Prozessablauf nur beispielhaft. - Beispielsweise kann die Vorrichtung der
9h auch mittels eines eWLB-Verfahrens in eine gedruckte Schaltung eingebaut werden. - Dieses Verfahren wird in der Beschreibung der nachfolgenden
10 genauer beschrieben. - Die Miniaturisierung durch ein eWLB-Verfahren ist in der
9i dargestellt. Ein eingebettetes Wafer-Level-Ball-Grid-Array eWLB ermöglicht eine Integration von elektrischen Komponenten mit einer Pitchbreite von bis zu 1 µm (siehe9i und10 ). Bei der eWLB-Gehäusetechnologie werden die Kristalle (Dies) der integrierten Schaltungen und das Diamantsubstrats Dia in eine gemeinsame Mold Compound-Masse eingebettet, bevor das Herstellungsverfahren eine dielektrische Schicht und eine oder mehrere Umverteilungsschichten auf das so entstandene Paket aufbringt. Wie zuvor mehrfach erwähnt stellen typischerweise Lotkugeln in einem Lötprozess später die elektrischen und mechanischen Verbindungen her. Das Herstellungsverfahren erzeugt diese Lötkugeln (Englisch Solder-Balls) vor der finalen Lötung. Dies führt letztlich zu einem BGA-Gehäuse für das Diamantsubstrat. Aufgrund der Umverteilungsschichten ist die eWLB Technologie die am besten geeignete Gehäusetechnologie für Anwendungen mit Hochfrequenzsignalen im Radio und µM Bereich. Gleichzeitig eignet sich diese Aufbau- und Verbindungstechnik für die elektrische und magnetische Optimierung und Abschirmung. Die eWLB Technnologie ist besonders wirtschaftlich. - Für die weitere Miniaturisierung ist die Verwendung integrierter Schaltungen und System innerhalb der vorgeschlagenen Vorrichtungen besonders vorteilhaft. Der nächste Integrationsschritt ist die PCB/Keramik-Interposer-Integration (
9k) . Ausgehend von einer labortypischen Integrationsebene mit vielseitigen Laborkomponenten werden diese Komponenten als diskrete miniaturisierte Elemente in die integrierten Schaltungen implementiert. Dies ermöglicht die Miniaturisierung des gesamten Systems. Hierdurch wird die Skalierbarkeit in Richtung einer hohen Anzahl von Qubits geebnet. Beispielsweise kann die vorgeschlagene Vorrichtung u.a. folgende Funktionen umfassen: HF-Synthesizer, Impulsgenerator, TTL-Impulszähler, TTL-Impulszeitauflösungszähler; Spannungs- und Stromversorgungen und Mikrowellenschalter. Der Mikrowellengenerator ist bevorzugt ein Generator mit einem in gewissen Grenzen frei wählbaren Signalform (Arbiträrwellenform-Generator 1-4 GHz). Des Weiteren umfasst die vorgeschlagene Vorrichtung einen Mikroellenleistungsverstärker (bis 33 dBm) in diesem Frequenzbereich (1-4GHz) Beispielsweise können diese Komponenten der Vorrichtung als mikrointegrierte Schaltungen in BiCMOS-Technologie gefertigt sein. - In einem letzten Schritt (
9I ) wird auch diese so erstelle Vorrichtung in ein Gehäuse eingebaut, das die Vorrichtung bevorzugt vor der Einstrahlung elektromagnetischer Wellen und statischer und quasistatischer elektrodynamischer Felder schützt. - Figur 10, Figur 11 und Figur 12
-
10 bis12 skizzieren die Anwendung des eWLB-Verfahres auf die Montage des Diamantsubstrats Dia. Das Diamantsubstrat ist dabei nur ein Beispiel für die Montage eines optischen Funktionselements. Das hier beschriebene Verfahren eignet sich auch für die Montage anderer optischer Funktionselemente. Besonders bevorzugt weist ein zu montierendes optisches Funktionselement eine Fläche auf, die für die Montage genutzt werden kann. - Der erste Schritt umfasst die Ausrichtung der elektrischen Kontaktflächen des Diamantsubstrats Dia und elektrischen Kontaktflächen der beispielhaften mikrointegrieren Schaltungen IC1 und IC2 längs einer gemeinsamen Ebene. Hierzu stellt der Prozess in
10a einen Träger TR mit einer Klebeschicht GL oder einer doppelseitig klebenden Folie bereit. Ein Verguss- oder Spritzgussprozess überdeckt die so gegeneinander auf der Oberfläche der Klebeschicht relativ zueinander in einer nunmehr fixierten Position lokalisierten Bauelemente mit einer Vergussmasse (Mold-Masse) MC. Die Bauelemente im Sinne dieser Schrift sind elektrische und/oder optische und/oder mikromechanische Funktionselemente. In dem Beispiel der10b sind dies eine erste beispielhafte mikrointegrierte Halbleiterschaltung IC1 und eine zweite beispielhafte mikrointegrierte Halbleiterschaltung IC2 und das beispielhafte Diamantsubstrat Dia mit dem mindestens einen NV-Zentrum NV und dem mindestens einen 13C-Isotop 13C. In dem Beispiel der10 bildet beispielhaft eine doppelseitig klebenden Folie GL an einer planaren Oberfläche eines temporär genutzten Metallträgers TR die Klebeschicht KL. - Nach dem Verguss mit der Vergussmasse MC ist die Lage des Diamantsubstrats Dia und die Positionierung der mikrointegrierten Schaltungen IC1, IC2 zueinander fixiert. (
10c ) Die doppelseitig klebende Folie hat dabei während des Vergusses mit der Vergussmasse MC verhindert, dass die Vergussmasse MC die elektrischen Kontakte der mikrointegrierten Schaltkreise IC1, IC2 und/oder des Diamantsubstrats Dia verdeckt oder beschmutzt. Nach dem Aushärten der Vergussmasse (Mold-Compound) MC werden der Metallträger TR und die doppelseitige Klebefolie KL entfernt. Hierzu wird in dem Beispiel der10 bis12 in11a das entstandene Paket umgedreht. Dann erfolgt die Entfernung des Metallträgers TR und der Klebeschicht KL. Der Prozess bringt dann ggf. nach einem Reinigungsschritt zur Entfernung von ggf. noch vorhandenen Kleberesten der Klebeschicht KL typischerweise eine erste dielektrische Schicht D1 auf, die typischerweise zur besseren Isolation dient. (11c ) Der Prozess öffnet ggf. Kontaktfenster C1,2 in der ersten dielektrischen Schicht (11c ). Anschließend kann beispielsweise der Prozess eine erste Metallisierungsschicht M1 aufbringen und beispielsweise durch einen fotolithografischen Prozess diese Schicht in Leiterbahnen strukturieren. (12a) Darauf kann wieder die Abscheidung einer zweiten dielektrischen Schicht D2, die Öffnung der Kontaktlöcher C2 in der zweiten dielektrischen Schicht D2 und das Aufbringen und Strukturieren einer zweiten Metallisierungsschicht M2 folgen. (12b) Auf diese Weise kann der Herstellungsprozess beispielsweise einen mehrlagigen Metallisierungsstapel mit mehreren Leiterbahnebenen und Durchkontaktierungen zur elektrischen Verbindung über Leiterbahnebenen hinweg schaffen. - In einem letzten Schritt (
12c ) kann der Herstellungsprozess dann wieder Lötkugeln (Englisch Solder-Balls) SB vorsehen, die dann in einem Lötprozess bei der finalen Montage des Moduls aufgeschmolzen werden können. Diese Lötkugeln SB, die Durchkontaktierungen C1,2, C2, die Metallisierungsschichten und die Ausrichtung der Komponenten Dia, IC1, IC2 an einer gemeinsamen Fläche ermöglichen die zuverlässige elektrische Kontaktierung und Verbindung komplexerer Systeme. - Figur 13
-
13 zeigt einen beispielhaften Interposer (eWLB). Eine Öffnung HO schafft einen optischen Pfad von der Unterseite des beispielhaften Interposer (eWLB) zum optischen Funktionselement, hier dem Diamantsubstrat Dia mit dem NV-Zentrum NV und den 13C-Isotopen 13C. Das optische Funktionselement ist hier auch ein quantentechnologisches Funktionselement, da es mehrere Quantenbits, das NV-zentrum NV und die 13C-Isotope 13C umfasst. Ein quantentechnologisches Funktionselement im Sinne der hier vorgelegten Schrift umfasst mindestens ein Quantenbit. - Bezugszeichenliste
-
- 13C
- 13C-Isotop. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs kann als nukleares Quantenbit benutzt werden;
- 13C1,1
- erstes 13C-Isotop des ersten Q-Nodes mit dem ersten NV-Zentrum NV1. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 13C1,2
- zweites 13C-Isotop des ersten Q-Nodes mit dem ersten NV-Zentrum NV1. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 13C1,3
- drittes 13C-Isotop des ersten Q-Nodes mit dem ersten NV-Zentrum NV1. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 13C1,4
- viertes 13C-Isotop des ersten Q-Nodes mit dem ersten NV-Zentrum NV1. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 13C2,1
- erstes 13C-Isotop des zweiten Q-Nodes mit dem zweiten NV-Zentrum NV2. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 13C2,2
- zweites 13C-Isotop des zweiten Q-Nodes mit dem zweiten NV-Zentrum NV2. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 13C2,3
- drittes 13C-Isotop des zweiten Q-Nodes mit dem zweiten NV-Zentrum NV2. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 13C2,4
- viertes 13C-Isotop des zweiten Q-Nodes mit dem zweiten NV-Zentrum NV2. Das 13C-Isotop des Kohlenstoffs wird in dem Beispiel der
3i und3j als nukleares Quantenbit benutzt werden; - 5G
- drahtlose Datenschnittstelle des übergeordneten Rechnersystems PC, die als Beispiel für eine Datenschnittstelle das übergeordnete Rechnersystem mit einem entfernten Rechner verbinden kann;
- AMP1
- erster Verstärker;
- AMP2
- zweiter Verstärker;
- AMP3
- dritter Verstärker;
- BPAD
- Bondpad auf dem Siliziumrahmen SiF;
- C1,2
- Durchkontaktierung (Kontaktlöcher) durch die erste dielektrisches Schicht D1 zwischen der ersten Metallisierungsebene M1 und den Kontaktflächen der mikrointegrierten Schaltkreise IC1, IC2 bzw. des Diamantsubstrats Dia als Beispiel eines optischen Funktionselements zur elektrischen Verbindung der Kontaktflächen der mikrointegrierten Schaltkreise IC1, IC2 bzw. des Diamantsubstrats Dia als Beispiel eines optischen Funktionselements mit Leitungen der ersten Metallisierungsebene M1;
- C2
- Durchkontaktierung (Kontaktlöcher) durch die zweite dielektrisches Schicht D2 zwischen der ersten Metallisierungsebene M1 und der zweiten Metallisierungsebene M2 zur elektrischen Verbindung von Leitungen der ersten Metallisierungsebene M1 mit Leitungen der zweiten Metallisierungsebene M2;
- Cer
- Keramikträger;
- CTRL
- Steuerschaltkreis;
- D1
- erste dielektrische Schicht;
- D2
- zweite dielektrische Schicht;
- Dia
- Diamantsubstrat. Das Diamantsubstrat ist vorzugsweise monokristallin;
- dLNV
- Abstand der Außenkannte der ersten vertikalen Leitung LV1 bzw. der zweiten vertikalen Leitung LV2 zum jeweils nächstgelegenen NV-Zentrum NV und damit zum nächstgelegenen Q-Node;
- dOFNV
- Oberflächen-NV-Zentrumsabstand zwischen Oberfläche OF und NV-Zentrum NV;
- dRSx
- Resonatorengitterabstand der Resonatoren RS in x-Richtung auf der Oberfläche OF2 der des Diamantsubstrats Dia, wenn die Resonatoren RS gitterförmig so angeordnet sind, dass das Gitter der Resonatoren RS bei einer Verschiebung um den Resonatorengitterabstand der Resonatoren in x-Richtung in x-Richtung längs der Oberfläche OF2 zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet werden würde;
- dRSy
- Resonatorengitterabstand der Resonatoren RS in y-Richtung auf der Oberfläche OF2 der des Diamantsubstrats Dia, wenn die Resonatoren RS gitterförmig so angeordnet sind, dass das Gitter der Resonatoren RS bei einer Verschiebung um den Resonatorengitterabstand der Resonatoren in y-Richtung in y-Richtung längs der Oberfläche OF2 zumindest teilweise wieder auf sich selbst abgebildet werden würde;
- eWLB
- Interposer. Ein Interposer im Sinne dieser Schrift ist eine elektrisch/mechanische Schnittstelle, die zwischen einem Anschluss zu einem anderen Anschluss geführt wird. Der Zweck eines Interposers ist es, eine elektrische Verbindung von einem sehr dichten Rastermaß, hier beispielsweise einem Rastermaß auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia, auf ein größeres Rastermaß, hie beispielsweise das Rastermaß auf der Oberseite eines Keramikträgers Cer, zu verteilen und zu vergrößern oder eine Verbindung auf einen anderen Anschluss umzuleiten.[1] Interposer kommt vom lateinischen Wort „interpönere“, was „dazwischen legen“ bedeutet. Die Verwendung von Interposern ist dem Fachmann beispielsweise aus den so genenannten BGA-Gehäusen, Multi-Chip-Modulen und High-Bandwidth-Memories bekannt. Ein gängiges Beispiel für einen Interposer ist das Die eines integrierten Schaltkreises ohne aktive Bauelemente, bei denen ur der Metallisierungsstapel für die Verdrahtung genutzt wird. Als Interposer eigenen sich verschiedene Substrate, die sowohl starr als auch flexibel sein können. FR4 Material und Silizium können beispielsweise für starre Verbindungen und Polyimid für flexible Verbindungen eingesetzt werden. Silizium und Glas finden ebenfalls Interposer Verwendung. Interposer-Stapel sind auch eine weithin akzeptierte, kostengünstige Alternative zu 3D-ICs. Im Sinne dieser Schrift kann der Interposer auch ein Halbleiterkristall mit einem Metallisierungsstapel und aktiven Bauelementen wie Transistoren und Schaltern sein und aktiven Schaltungen wie Verstärkern ec. In dem Fall ist der Interposer bevorzugt in CMOS-Technik gefertigt. Bevorzugt weist dann der Interposer Through-Silicon-Vias als Durchkontaktierungen auf, um die Vorderseite des Interposers mit der Rückseite des Interposers elektrisch zu verbinden. Bevorzugt ist in dem Fall der Interposer mit einem ersten Metallisierungsstapel auf der Oberfläche der Oberseite des Interposers und mit einem zweiten Metallisierungsstapel auf der Oberfläche der Unterseite des Interposers versehen.; Die Through-Silicon-Vias verbinden dann Leitungen des ersten Metallisierungsstapels auf der Oberfläche der Oberseite des Interposers und mit Leitungen des zweiten Metallisierungsstapel auf der Oberfläche der Unterseite des Interposers elektrisch. Bevorzugt weist der Interposer Bond-Pads für elektrische Verbindungen mittels Wire-Bondung und/oder Flip-Chip-Techniken wie z.B. Solder-Balls und/oder TAB auf.
- FL
- Fluoreszenzstrahlung. Die NV-Zentren NV geben die Fluoreszenzstrahlung bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB ab;
- GL
- Klebeschicht. Die Klebeschicht kann beispielsweise eine doppelseitig klebende Folie sein;
- GRD
- Masseanschluss. Der Masseanschluss kann beispielsweise der Knoten der negativen Versorgungsspannung sein;
- HL1
- erste horizontale Leitung;
- HL2
- zweite horizontale Leitung;
- hp
- Höhe der Resonatorstruktur RS gegenüber der zweiten Oberfläche OF2 und der Oberfläche OF;
- IC1
- erste mikrointegrierte Schaltung;
- IC2
- zweite mikrointegrierte Schaltung;
- KL
- Klebeschicht. Die Klebeschicht kann auch eine doppelseitig klebende Folie sein. Bevorzugt ist deren Adhäsion so schwach, dass sie sich ohne ein Herausreißen der Metallisierungen der mikrointegrierten Schaltungen IC! Und IC2 und des Diamantsubstrats Dia von diesen lösen lässt. Bevorzugt ist die Klebefolie bei dieser Verwendung elektrisch leitend bevorzugt sind die adhäsiven Werkstoffe so gewählt, dass keine ESD-Schäden entstehen;
- LB
- Pumpstrahlung für den Betrieb des NV-Zentrums. Beispielsweise kann es sich um grünes Laserlicht, mit einer Wellenlänge von beispielsweise 520nm handeln;
- LEN
- optisches System;
- LS
- Laser-System. Das Lasersystem liefert die Pumpstrahlung LB für den Betrieb des NV-Zentrums NV;
- LTG
- Leitungen. Diese Leitungen LTG verbinden den Steuerschaltkreis CTRL und ggf. weitere Schaltungen auf dem Interposer eWLB mit einem übergeordneten Rechnersystem PC;
- LWL
- Lichtwellenleiter; Der Lichtwellenleiter transportiert die Pumpstrahlung in Form des Laserlichts des Laser-Systems LS zu dem Diamantsubstrat Dia und damit zu dem NV-Zentrum NV;
- MC
- Vergussmasse. Die Vergussmasse wird englisch auch als Mold-Compound bezeichnet. Es kann sich um eine Spritzgussmasse, beispielsweise Thermoplast oder Duroplast handeln. Die Verwendung optisch transparenter Vergussmassen ist aber denkbar. Beispielsweise können Mehrkomponentenharze Verwendung finden.
- MW
- Mikrowellensignalgenerator;
- MWA
- Mikrowellenantenne. Die Mikrowellenantenne befindet sich bevorzugt auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia und ermöglicht typischerweise die Erzeugung eines Mikrowellenfeldes in der Nähe der NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4, was eine Beeinflussung und Manipulation dieser NV-Zentren NV1, NV2, NV3, NV4 und damit der Q-Nodes ermöglicht;
- MSL
- Microstrip-Leitung. Eine Mikrostripleitung im Sinne dieser Schrift ist eine Leitung mit einem vorzugsweise über einen Teilabschnitt der Leitung im Wesentlichen konstanten Wellenwiderstand für den bestimmungsgemäßen Frequenzbereich der vorgesehenen Signale. Nach Wikipedia wird als Streifenleitung (englisch microstrip) eine bestimmte Klasse elektrischer Wellenleiter bezeichnet. Allen Streifenleitungen ist It. Wikipedia gemeinsam, dass sie aus einem oder mehreren dünnen, leitfähigen Streifen bestehen, die auf einem Dielektrikum aufgebracht sind. Streifenleiterstrukturen können z. B. aus in einer Ebene angeordneten Leitungsstreifen bestehen. Oft sind sie isoliert in oder über einer metallischen Fläche angeordnet. Es kann sich bei den Streifenleitungen auch um Schlitzer in leitfähigen Flächen handeln;
- Nu
- Nut im Silizium Rahmen SiF. Die Nut weist bevorzugt oben eine Öffnung in Form eines Schlitzes auf. In das Material hinein verbreitert sich die Nut bevorzugt. Hierdurch kann der schmalere Bereich der Nut, der sich im oberen Bereich der Nut zu Oberfläche hin befindet, nach oben hin einen Austritt des Lichtwellenleiters LWL aus der Nut heraus verhindern. Der Lichtwellenleiter LWL bleibt hierdurch im unteren, breiteren Tel der Nut gefangen und fixiert;
- NV
- NV-Zentrum oder anderes paramagnetisches Zentrum, dessen Elektronenkonfiguration als Quantenbit eingesetzt werden kann;
- NV1
- erstes NV-Zentrum oder anderes paramagnetisches Zentrum innerhalb einer Vorrichtung, dessen Elektronenkonfiguration als Quantenbit eingesetzt werden kann;
- NV2
- zweites NV-Zentrum oder anderes paramagnetisches Zentrum innerhalb einer Vorrichtung, dessen Elektronenkonfiguration als Quantenbit eingesetzt werden kann;
- NV3
- drittes NV-Zentrum oder anderes paramagnetisches Zentrum innerhalb einer Vorrichtung, dessen Elektronenkonfiguration als Quantenbit eingesetzt werden kann;
- NV4
- viertes NV-Zentrum oder anderes paramagnetisches Zentrum innerhalb einer Vorrichtung, dessen Elektronenkonfiguration als Quantenbit eingesetzt werden kann;
- OF
- Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia;
- OF2
- zweite Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats Dia. Die zweite Oberfläche liegt gegenüber der ersten Oberfläche OF um die die Höhe hp der Resonatorstruktur RS tiefer;
- PC
- übergeordnetes Rechnersystem;
- RF1
- erster Radiofrequenzsignalgenerator;
- RF2
- zweiter Radiofrequenzsignalgenerator;
- RS
- Resonatorstruktur;
- SB
- Lötpunkt (Englisch Solder-Ball oder Solder-Bump);
- SBGRD
- Lötpunkt des Masseanschlusses GRD. Der Lötpunkt des Masseanschlusses GRD ist bevorzugt ein Solder-Ball;
- SBHL1
- Lötpunkt der ersten horizontalen Leitung HL1. Der Lötpunkt der ersten horizontalen Leitung HL1 ist bevorzugt ein Solder-Ball;
- SBHL2
- Lötpunkt der zweiten horizontalen Leitung HL2. Der Lötpunkt der zweiten horizontalen Leitung HL2 ist bevorzugt ein Solder-Ball;
- SBVL1
- Lötpunkt der ersten vertikalen Leitung VL1. Der Lötpunkt der ersten vertikalen Leitung VL1 ist bevorzugt ein Solder-Ball;
- SBVL2
- Lötpunkt der zweiten vertikalen Leitung VL2. Der Lötpunkt der zweiten vertikalen Leitung VL2 ist bevorzugt ein Solder-Ball;
- SiF
- Silizium-Rahmen;
- SMA
- SMA-Buchse. Es handelt sich bei einer SMA-Buchse im Sinne dieser Schrift um eine HF-Steckverbindung, die bevorzugt für die Übertragung der verwendeten Hochfrequenzsignale besonders geeignet ist. Statt einer jeweiligen SMA-Buchse kann selbstverständlich jeweils auch ein SMA-Stecker eingesetzt werden. Der Begriff SMA-Buchse steht in dieser Schrift für lösbare Hochfrequenzverbindungen allgemein.
- SPD
- Fotodetektor. Der Fotodetektor wandelt die Intensität der elektromagnetischen bevorzugt optischen Strahlung in ein Empfängerausgangssignal um;
- TR
- Träger. Der Träger ist bevorzugt eine Metallplatte, ein Siliziumwafer oder eine in einem Spannrahmen eingespannte metallische Folie;
- WDW
- Aussparung oder Vertiefung im Siliziumrahmen SiF oder Durchbruch im Siliziumrahmen SiF von der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens SiF zur Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens SiF. Das Diamantsubstrat Dia kann bevorzugt erfindungsgemäß in diese Aussparung eingesetzt sein;
- wpmNV
- Durchmesser der Resonatorstruktur RS im Falle der Verwendung mehrerer Q-Nodes innerhalb der Resonatorstruktur RS;
- wpsNV
- Durchmesser der Resonatorstruktur RS im Falle der Verwendung eines einzelnen Q-Nodes innerhalb der Resonatorstruktur RS;
- VL1
- erste vertikale Leitung;
- VL2
- zweite vertikale Leitung;
- VSL1
- erste vertikale Schirmleitung;
- VSL2
- zweite vertikale Schirmleitung;
- VSL3
- dritte vertikale Schirmleitung;
- Liste der zitierten Schriften
- Soweit das nationales Recht eines Landes, in dem diese Schrift als Patentanmeldung später in einem internationalen Patentanmeldeverfahren nationalisiert wird, es zulässt, umfasst die Offenlegung dieser Schrift die Kombination der hier offengelegten Merkmale der hier offengelegten Verfahren und Vorrichtungen in Kombination mit Merkmalen von Verfahren und Vorrichtungen aus den hier aufgeführten Schriften.
- /1/ Meijer et al., App. Phy. Revi.,8(1), 2021.
- /2/ Bradley et al. Phy. Rev. X, 9(3), 2019
- /3/ Dolde et al. Nat. com., 5(1), 2014.
- /4/ Lühmann et al Nat. com., 10(1), 2019
- /5/ Hrubesch et al. Phys. Rev. Lett.118, 2017
- /6/ Holz Vac.Sci.&Tec.B,36(6), 2018.
- /7/ Möller et al. Proc. SPIE 10561, 2018.
- /8/ Möller et all Proc. SPIE 10680, 2018
- /9/ Möller et al. Proc. SPIE 11286,.2020
- /10/ Casanova Physi.Rev.Lett. 117(13), 2016. p. 130502.
- /11/ John R et al N.J. of Phy.. 2017, Vol. 19
- /12*/ Casanova et al. Phy. Rev. A, 96(3), 2017. p. 032314.
- /13*/ Jelezko et al. Physi.Rev. Lett.. 2004, Vol. 92.
- /14*/ Casanova et al Physi. Rev. A, 92(4), 2015. p. 042304.
- /15*/ Wang et al. Phy. Rev. B, 93(17), 2016. p. 174104.
- /16*/ Haase et al. Phy. Rev. lett, 121(5), 2018. p. 050402.
- /17*/ Neumann et al. Science . 2010, Vol. 329, 5991.
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- /20/ Czarnik et al. arXiv:2005.10189, 2020.
- /21/ Fösel et al. Phys.Rev. X, 8(3), 2018. p. 031084.
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- /23/ Cornelissen et al. arXiv:2104.10698, 2021.
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- /25*/ Heupel et al. Micro.,11(12), 2020. p. 1080.
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- /33*/ Li et al. arXiv:2105.09902, 2021.
-
WO 2021 083 448 A1 ,WO 2020 260 640 A1 ,WO 2021 018 654 A1 - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2020284862 A1 [0008]
- US 10371760 B2 [0009]
- WO 2021083448 A1 [0010, 0183, 0185, 0187, 0212]
- WO 2020260640 A1 [0011, 0184, 0185, 0212]
- WO 2021018654 A1 [0012, 0212]
- DE 102004032451 B4 [0184]
- DE 102020101784 B3 [0212]
- DE 102019120716 A1 [0212]
- DE 102019117423 A1 [0212]
- DE 102019121029 A1 [0212]
Claims (31)
- Quantentechnologische Vorrichtung mit einem Diamantsubstrat (Dia) und mit einem Interposer (eWLB) oder einem Siliziumrahmen (SiF), wobei das Diamantsubstrat (Dia) zumindest ein NV-Zentrum (NV) umfasst und wobei das Diamantsubstrat (Dia) eine Unterseite mit einer Oberfläche (OF) aufweist und wobei der Interposer (eWLB) bzw. der Siliziumrahmen (SiF) eine Oberfläche mit einem Metallisierungsstapel aufweist und wobei der Metallisierungstapel des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) Leitungen umfasst und wobei die Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) Steuerleitungen umfasst und wobei Steuerleitungen der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) elektrisch mit Leitungen des Interposers (eWBL) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass das zumindest eine NV-Zentrum (NV) sich in der Nähe der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) befindet und dass der Interposer (eWLB) bzw. der Siliziumrahmen (SiF) mit der Oberfläche, die den Metallisierungsstapel aufweist, an der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) angebracht ist, sodass ein Stromfluss in einer der Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) einen Stromfluss in einer Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) verursacht und dass dieser Stromfluss in der Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) eine elektronische Spin-Konfiguration des NV-Zentrums (NV) beeinflussen kann oder dass eine Potenzialänderung einer der Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) eine Potenzialänderung eine Potenzialänderung der Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) verursacht und dass diese Potenzialänderung der Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) die elektronische Spin-Konfiguration des NV-Zentrums (NV) beeinflussen kann.
- Quantentechnologische Vorrichtung nach
Anspruch 1 wobei das Diamantsubstrat (Dia) ein oder mehrere 13C-Isotope (13C) umfasst und wobei zumindest ein 13C-Isotop (13C) mit dem NV-Zentrum (NV) gekoppelt werden kann und wobei das mindestens eine 13C-Isotop (13C) mit dem zumindest einen NV-Zentrum (NV) einen Q-Node bildet und gekennzeichnet dadurch, dass der Q-Node sich in der Nähe der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) befindet und dass der Interposer (eWLB) bzw. der Siliziumrahmen (SiF) mit der Oberfläche des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF), die den Metallisierungsstapel mit den Leitungen aufweist, an der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) angebracht ist, dass das Diamantsubstrat (Dia) zumindest eine Steuerleitung, insbesondere eine erste vertikale Leitung (VL1), aufweist und dass die mindestens eine Steuerleitung mit einer oder mehrere Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) elektrisch über Lötpunkte (Englisch Solder-Ball) verbunden ist sodass ein Stromfluss in diesen Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) oder eine Potenzialänderung dieser Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) mittels der mindestens einen Steuerleitung auf der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) über eine Beeinflussung der elektronischen Spin-Konfiguration des NV-Zentrums (NV) den Kernspin des 13C-Isotops (13C) beeinflussen kann. - Quantentechnologische Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis2 wobei der Metallisierungsstapel des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) eine Empfangsantenne umfasst und wobei die Vorrichtung einen Verstärker (AMP1, AMP2, AMP3) umfasst und wobei ein Radiofrequenzsignalgenerator (RF1, RF2) ein Radiofrequenzsignal in die Leitung einspeist und/oder wobei ein Mikrowellensignalgenerator (MW) ein Mikrowellensignal in die Leitung einspeist und wobei die Empfangsantenne die Strahlungsleistung der Mikrowellenstrahlung des Mikrowellensignals auf der Leitung oder einer mit dieser Leitung elektrisch verbundenen Steuerleitung als Wert eines Mikrowellenempfangssignal erfasst und/oder wobei die Empfangsantenne die Strahlungsleistung der Radiowellenstrahlung des Radiowellensignals auf der Leitung oder einer mit dieser Leitung elektrisch verbundenen Steuerleitung als Radiowellenempfangssignal und und wobei der Mikrowellensignalgenerator (MW) die Intensität der Einspeisung des Mikrowellensignals in die Leitung in Abhängigkeit von dem Mikrowellenempfangssignal so nachregelt, dass der Wert des Mikrowellenempfangssignals einem Mikrowellenzielwert bis auf einen Regelfehler und Systemrauschen entspricht und/oder wobei der Radiowellensignalgenerator (MW) die Intensität der Einspeisung des Radiowellensignals in die Leitung in Abhängigkeit von dem Radiowellenempfangssignal so nachregelt, dass der Wert des Radiowellenempfangssignals einem Radiowellenzielwert bis auf einen Regelfehler und Systemrauschen entspricht. - Quantentechnologische Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis3 wobei die Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats durch eine epitaktische Diamantschicht gebildet wird, die einen Gehalt von 3%-5% (Atomprozent) 13C Isotopen (13C) umfasst. - Quantentechnologische Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei die rms-Rauheit der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) zumindest im Wirkungsbereich des NV-Zentrums (NV) 0,5 nm oder weniger beträgt. - Quantentechnologische Vorrichtung mit einem Diamantsubstrat (Dia) und mit einem Interposer (eWLB) oder einem Siliziumrahmen (SiF), wobei das Diamantsubstrat (Dia) zumindest ein NV-Zentrum (NV) umfasst und wobei das Diamantsubstrat (Dia) eine Oberseite mit einer Oberfläche (OF) aufweist und wobei der Interposer (eWLB) bzw. der Siliziumrahmen (SiF) eine Oberfläche mit einem Metallisierungsstapel aufweist und wobei der Metallisierungstapel des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) Leitungen umfasst und wobei die Oberfläche (OF) der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) Steuerleitungen umfasst und wobei Steuerleitungen der Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) elektrisch mit Leitungen des Interposers (eWBL) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass das zumindest eine NV-Zentrum (NV) sich in der Nähe der Oberfläche (OF) der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) befindet und dass der Interposer (eWLB) bzw. der Siliziumrahmen (SiF) mit der Oberfläche, die den Metallisierungsstapel aufweist, an der Oberfläche (OF) der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) angebracht ist, sodass ein Stromfluss in einer der Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) einen Stromfluss in einer Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) verursacht und dass dieser Stromfluss in der Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) eine elektronische Spin-Konfiguration des NV-Zentrums (NV) beeinflussen kann oder dass eine Potenzialänderung einer der Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) eine Potenzialänderung eine Potenzialänderung der Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) verursacht und dass diese Potenzialänderung der Steuerleitung an der Oberfläche (OF) der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) die elektronische Spin-Konfiguration des NV-Zentrums (NV) beeinflussen kann.
- Quantentechnologische Vorrichtung nach
Anspruch 6 wobei das Diamantsubstrat (Dia) ein oder mehrere 13C-Isotope (13C) umfasst und wobei zumindest ein 13C-Isotop (13C) mit dem NV-Zentrum (NV) gekoppelt werden kann und wobei das mindestens eine 13C-Isotop (13C) mit dem zumindest einen NV-Zentrum (NV) einen Q-Node bildet und gekennzeichnet dadurch, dass der Q-Node sich in der Nähe der Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) befindet und dass der Interposer (eWLB) mit der Oberfläche des Interposers (eWLB), die den Metallisierungsstapel mit Leitungen aufweist, an der Oberfläche der Unterseite des Diamantsubstrats (Dia) angebracht ist, dass das Diamantsubstrat (Dia) auf der Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) zumindest eine Steuerleitung, insbesondere eine erste vertikale Leitung (VL1), aufweist und dass die mindestens eine Steuerleitung mit einer oder mehrere Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) elektrisch über einen oder mehrere Bonddrähte (BDW) verbunden ist sodass ein Stromfluss in diesen Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) oder eine Potenzialänderung dieser Leitungen des Metallisierungsstapels des Interposers (eWLB) mittels der mindestens einen Steuerleitung auf der Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) über eine Beeinflussung der elektronischen Spin-Konfiguration des NV-Zentrums (NV) den Kernspin des 13C-Isotops (13C) beeinflussen kann. - Quantentechnologische Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 6 bis7 wobei der Metallisierungsstapel des Interposers (eWLB) bzw. des Siliziumrahmens (SiF) eine Empfangsantenne umfasst und wobei die Vorrichtung einen Verstärker (AMP1, AMP2, AMP3) umfasst und wobei ein Radiofrequenzsignalgenerator (RF1, RF2) ein Radiofrequenzsignal in die Leitung einspeist und/oder wobei ein Mikrowellensignalgenerator (MW) ein Mikrowellensignal in die Leitung einspeist und wobei die Empfangsantenne die Strahlungsleistung der Mikrowellenstrahlung des Mikrowellensignals auf der Leitung oder einer mit dieser Leitung elektrisch verbundenen Steuerleitung als Wert eines Mikrowellenempfangssignal erfasst und/oder wobei die Empfangsantenne die Strahlungsleistung der Radiowellenstrahlung des Radiowellensignals auf der Leitung oder einer mit dieser Leitung elektrisch verbundenen Steuerleitung als Radiowellenempfangssignal und wobei der Mikrowellensignalgenerator (MW) die Intensität der Einspeisung des Mikrowellensignals in die Leitung in Abhängigkeit von dem Mikrowellenempfangssignal so nachregelt, dass der Wert des Mikrowellenempfangssignals einem Mikrowellenzielwert bis auf einen Regelfehler und Systemrauschen entspricht und/oder wobei der Radiowellensignalgenerator (MW) die Intensität der Einspeisung des Radiowellensignals in die Leitung in Abhängigkeit von dem Radiowellenempfangssignal so nachregelt, dass der Wert des Radiowellenempfangssignals einem Radiowellenzielwert bis auf einen Regelfehler und Systemrauschen entspricht. - Quantentechnologische Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 6 bis8 wobei die Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats durch eine epitaktische Diamantschicht gebildet wird, die einen Gehalt von 3%-5% (Atomprozent) 13C Isotopen (13C) umfasst. - Quantentechnologische Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 6 bis9 , wobei die rms-Rauheit der Oberfläche der Oberseite des Diamantsubstrats (Dia) zumindest im Wirkungsbereich des NV-Zentrums (NV) 0,5 nm oder weniger beträgt. - Quantentechnologische Vorrichtung mit einem Diamantsubstrat (Dia) und mit einem Interposer (eWLB) oder einem Siliziumrahmen (SiF) und mit einem übergeordneten Steuerrechner (PC) und mit einem Steuerschaltkreis (CTRL), der mit dem übergeordneten Steuerrechner (PC) identisch sein kann, wobei das Diamantsubstrat (Dia) zumindest ein NV-Zentrum (NV) umfasst und wobei das Diamantsubstrat (Dia) ein oder mehrere 13C-Isotope (13C) umfasst und wobei zumindest ein 13C-Isotop (13C) mit dem NV-Zentrum (NV) gekoppelt werden kann und wobei das mindestens eine 13C-Isotop (13C) mit dem zumindest einen NV-Zentrum (NV) einen Q-Node bildet und wobei der Interposer (eWLB) und/oder einem Siliziumrahmen (SiF) und/oder das Diamantsubstrat (Dia) Mittel (RF1, RF2, WM, AMP1, AMP2, AMP3, CTRL) umfassen und/oder mit Mitteln (RF1, RF2, WM, AMP1, AMP2, AMP3, CTRL) verbunden sind, die dazu geeignet sind, den Zustand des nuklearen Spins des mindestens einen 13C-Isotops (13C) und oder den Zustand der elektronischen Spin-Konfiguration des mindestens einen NV-Zentrums (NV) zu manipulieren und wobei der übergeordnete Steuerrechner (PC) und/oder der Steuerschaltkreis (CTRL) dazu geeignet und/oder vorgesehen sind, den Zustand des nuklearen Spins des mindestens einen 13C-Isotops (13C) und/oder den Zustand der elektronischen Spin-Konfiguration des mindestens einen NV-Zentrums (NV) in Abhängigkeit von einem Datum oder mehreren Daten, die das übergeordnete Rechnersystem (PC) über eine Datenschnittstelle (5G) von einem entfernten Rechner erhält, zu manipulieren.
- Quantentechnologische Vorrichtung nach
Anspruch 11 wobei die Datenschnittstelle eine Mobilfunkschnittstelle, insbesondere eine 5G- oder 6G-Schnittstelle ist. - Quantentechnologische Vorrichtung nach
Anspruch 12 wobei die quantentechnologische Vorrichtung dazu vorgesehen und geeignet ist, sich relativ zur Erdoberfläche während ihres Betriebes zu bewegen. - Quantentechnologische Vorrichtung mit einem oder mehreren NV-Zentren (NV) und mit einem oder mehreren 13C-Isotopen (13C) und mit einer Resonatorstruktur (RS) und mit einem Diamantsubstrat (Dia) und wobei jedes der NV-Zentren (NV) mit mindestens einem 13C-Isotop (13C) koppeln kann und so jeweils einen Q-Node bildet und wobei die Resonatorstruktur (RS) eine Nanosäule mit einer Längsachse ist und wobei die Resonatorstruktur (RS) zumindest einen Q-Node innerhalb der Resonatorstruktur (RS) umfasst wobei das Diamantsubstrat (Dia) diesen mindestens einen Q-Node im Sinne dieses Anspruchs umfasst wobei die Resonatorstruktur (RS) ein Teil des Diamantsubstrats (Dia) im Sinne dieses Anspruchs ist und wobei das Diamantsubstrat (Dia) eine zweite Oberfläche (OF2) aufweist und wobei die Nanosäule mit der Längsachse der Nanosäule senkrecht zur zweiten Oberfläche (OF2) des Diamantsubstrats (Dia) auf dieser zweiten Oberfläche (OF2) des Diamantsubstrats (Dia) angeordnet ist und wobei das Ende der Nanosäule durch eine erste Oberfläche (OF) des Diamantsubstrats (Dia) gebildet wird und wobei auf der zweiten Oberfläche (OF2) des Diamantsubstrats (Dia) zumindest eine Leitung, insbesondere eine erste vertikale Leitung (VL1), angeordnet ist und wobei bei einem Stromfluss in dieser Leitung, insbesondere in der besagten ersten vertikalen Leitung (VL1), das magnetische Feld des elektrischen Stromes in dieser Leitung, insbesondere in der ersten vertikalen Leitung (VL1), mindestes ein NV-Zentrum (NV) beeinflusst oder wobei bei einer Potenzialverschiebung dieser Leitung, insbesondere der ersten vertikalen Leitung (VL1), gegenüber dem Potenzial eines elektrischen Bezugsknotens das elektromagnetische Feld dieser Leitung, insbesondere der ersten vertikalen Leitung (VL1), mindestes ein NV-Zentrum (NV) beeinflusst.
- Quantentechnologische Vorrichtung gemäß
Anspruch 14 , mit mindestens einer weiteren Leitung, insbesondere einer zweiten vertikalen Leitung (VL2), und wobei die weitere Leitung, insbesondere die zweite vertikale Leitung (VL2), von der ersten Leitung, insbesondere von der ersten vertikalen Leitung (VL1), verschieden ist und wobei die weitere Leitung, insbesondere die zweite vertikale Leitung (VL2), sich auf der zweiten Oberfläche (OF2) des Diamantsubstrats (Dia) befindet und wobei bei einem Stromfluss in dieser weiteren Leitung, insbesondere der zweiten vertikalen Leitung (VL2), das magnetische Feld des elektrischen Stromes in dieser weiteren Leitung, insbesondere in der zweiten vertikalen Leitung (VL2), das mindestes eine NV-Zentrum (NV) beeinflusst oder wobei bei einer Potenzialverschiebung dieser weiteren Leitung, insbesondere der zweiten vertikalen Leitung (VL2), gegenüber dem Potenzial des elektrischen Bezugsknotens das elektromagnetische Feld dieser weiteren Leitung, insbesondere der zweiten vertikalen Leitung (VL2), das mindestes einen NV-Zentrum (NV) beeinflusst. - Quantentechnologische Vorrichtung mit zwei oder mehr NV-Zentren (NV1, NV2) und mit zwei oder mehr 13C-Isotopen (13C) und mit einem Diamantsubstrat (Dia) und mit zumindest einer Leitung (VL1) und mit einer Mikrowellenantenne (MWA) und wobei jedes der NV-Zentren (NV) mit mindestens einem 13C-Isotop (13C) koppeln kann und so jeweils einen Q-Node bildet und wobei das Diamantsubstrat (Dia) diesen Q-Node umfasst und wobei bei einem Stromfluss in dieser Leitung (VL1) das magnetische Feld des elektrischen Stromes in dieser Leitung (VL1) mindestes ein NV-Zentrum (NV) beeinflusst oder wobei bei einer Potenzialverschiebung dieser Leitung (VL1) gegenüber dem Potenzial eines elektrischen Bezugsknotens das elektromagnetische Feld dieser Leitung (VL1) mindestes ein NV-Zentrum (NV) beeinflusst und wobei zumindest ein Teil der zwei oder mehr NV-Zentren (NV) längs einer Linie angeordnet sind und wobei die Mikrowellenantenne (MWA) zumindest teilweise parallel zu der Linie der NV-Zentren (NV) auf einer Oberfläche des Diamantsubstrats (Dia) ausgeführt ist und wobei eine elektromagnetische Abstrahlung der Mikrowellenantenne (MWA) zumindest einen Teil dieser NV-Zentren (NV) beeinflussen kann.
- Ball-Grid-Array mit einem Träger (Interposer eWLB) und mit zumindest einer Leitungsebene mit elektrischen Leitungen auf dem Träger und mit zumindest zwei Lötkugeln (Solder-Balls), wobei die mindestens zwei Lotkugeln elektrisch mit elektrischen Leitungen dieser elektrischen Leitungen auf dem Träger verbunden sind und gekennzeichnet dadurch dass es ein Diamantsubstrat (Dia) mit zumindest einem Q-Node und zumindest einer Leitung (VL1) umfasst und dass die mindestens eine Leitung (VL1) des Diamantsubstrats (Dia) mit zumindest einer Leitung der Leitungen der Leitungsebene auf dem Träger elektrisch verbunden ist.
- Träger (Interposer eWLB) mit zumindest einer Leitungsebene mit elektrischen Leitungen auf diesem Träger (Interposer eWLB) gekennzeichnet dadurch dass er ein optisches Funktionselement, insbesondere ein Diamantsubstrat (Dia) mit zumindest einem Q-Node und zumindest einer Leitung (VL1), mit einer Oberfläche des optischen Funktionselements umfasst und dass die Oberfläche des optischen Funktionselements mit einer Oberfläche der Leitungen der Ebene der Leitungsebene auf dem Träger (Interposer eWLB), insbesondere der Unterkante dieser Leitungen fluchtet und dass das optische Funktionselement und der Träger (Interposer eWLB) zumindest teilweise von einer Vergussmasse bedeckt sind.
- Träger nach
Anspruch 18 dass das optische Funktionselement zumindest eine Leitung, insbesondere eine erste vertikale Leitung (VL1), umfasst und mit zumindest zwei Lötkugeln (Solder-Balls). - Träger nach
Anspruch 18 oder19 wobei die Vergussmasse eine Öffnung aufweist, die einen optischen Pfad von außerhalb des Trägers bis zu dem optischen Funktionselement eröffnet. - Träger nach
Anspruch 20 wobei die Öffnung dazu geeignet und/oder vorgesehen ist, einen Lichtwellenleiter (LWL) aufzunehmen und/oder wobei die Öffnung einen Lichtwellenleiter (LWL) umfasst. - Ball-Grid-Array mit einem Träger (Interposer eWLB) nach einem der
Ansprüche 18 bis21 und gekennzeichnet dadurch dass es zumindest zwei Lötkugeln (Solder-Balls) aufweist und dass diese mindestens zwei Lotkugeln elektrisch mit elektrischen Leitungen dieser elektrischen Leitungen auf dem Träger verbunden sind. - Verfahren zur Herstellung einer quantentechnologischen Vorrichtung umfassend die Schritte Bereitstellen eines Diamantsubstrats (Dia) (
9a) Optionales Überprüfen des Diamantsubstrats (Dia) auf Eignung (9b) Reinigen des Diamantsubstrats und glätten einer Oberfläche des Diamantsubstrats (Dia) (9c ) Optionales Aufbringen einer epitaktischen Diamantschicht (DEPI) auf die Oberfläche des Diamantsubstrats (Dia); Ggf. Einbringen von 13C-Isotopen (13C) in das Diamantmaterial; Fertigen der NV-Zentren (NV) in dem Diamantmaterial; Ggf. Anfertigen der Leitungen auf der Oberfläche des Diamantsubstrats (Dia) Verbindung der Leitungen auf der Oberfläche des Diamantsubstrats (Dia) mit Leitungen auf der Oberfläche eines Interposers (eWLB) und/oder eines Siliziumrahmens (SiF) mittels Bonddrähten. - Verfahren zur Herstellung eines quantentechnologischen Moduls mit den Schritten: Bereitstellen eines Diamantsubstrats (Dia), - wobei das Diamantsubstrat (Dia) eine Oberfläche (OF) aufweist und - wobei das Diamantsubstrat (Dia) in der Nähe der Oberfläche (OF) zumindest ein NV-Zentrum (NV) aufweist, das mit zumindest einem 13C-Isotop (13C) gekoppelt ist und - wobei das Diamantsubstrat (Dia) zumindest eine Leitung, insbesondere eine erste vertikale Leitung (VL1) an seiner Oberfläche aufweist und - wobei die mindestens eine Leitung eine oder mehrere Kontaktflächen aufweist; Bereitstellen zumindest eines mikrointegrierten Schaltkreises (IC), - wobei der zumindest eine, mikrointegrierte Schaltkreis (IC) an einer Oberfläche eine Leitungsebene mit Kontaktflächen aufweist, Aufbringen des Diamantsubstrats (Dia) auf einen mechanischen Träger, insbesondere einen metallischen Träger, mittels eines Befestigungsmittels, insbesondere mittels einer doppelseitig klebenden Folie, - wobei die Oberfläche des Diamantsubstrats (Dia) mit den Kontaktflächen zum Befestigungsmittel hin ausgerichtet ist; Aufbringen des zumindest einen, mikrointegrierten Schaltkreises (IC) auf den mechanischen Träger, insbesondere den metallischen Träger, mittels des Befestigungsmittels, insbesondere mittels der doppelseitig klebenden Folie, - wobei die Oberfläche des zumindest einen, mikrointegrierten Schaltkreises (IC) mit den Kontaktflächen zum Befestigungsmittel hin ausgerichtet ist; Umgeben des Diamantsubstrats (Dia) und des zumindest einen mikrointegrierten Schaltkreises (IC) mit einer Füllmasse; Entfernen des mechanischen Trägers, insbesondere des metallischen Trägers, und des Befestigungsmittels, insbesondere der doppelseitig klebenden Folie; Ggf. Reinigung der sich ergebenden Oberfläche; Anfertigung eines Metallisierungsstapels auf der sich ergebenden Oberfläche; - wobei der angefertigte Metallisierungsstapel eine oder mehrere Leitungen umfasst und - wobei der angefertigte Metallisierungsstapel eine oder mehrere angefertigte Kontaktflächen umfasst und - wobei eine Leitung des angefertigten Metallisierungsstapels mindestens eine Leitung auf der Oberfläche des Diamantsubstrats (Dia) elektrisch kontaktiert und - wobei eine Leitung des angefertigten Metallisierungsstapels mindestens eine Kontaktfläche der mikrointegrierten Schaltung kontaktiert und - wobei eine Leitung des angefertigten Metallisierungsstapels mindestens eine angefertigte Kontaktfläche kontaktiert; Anfertigung von Lotbällen (Solder-Balls) auf angefertigten Kontaktflächen.
- Quantentechnologische Vorrichtung mit einem Siliziumrahmen (SiF); mit einem Diamantsubstrat (Dia); mit einem Lichtwellenleiter (LWL); wobei das Diamantsubstrat (Dia) ein NV-Zentrum (NV) aufweist; wobei der Siliziumrahmen (SiF) eine Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens (SiF) aufweist und wobei in der Oberfläche des Siliziumrahmens (SiF) eine Vertiefung angeordnet ist und wobei das Diamantsubstrat (Dia) in der Vertiefung angeordnet ist und wobei der Siliziumrahmen (SiF) einen Nut in der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens (SiF) aufweist und wobei in der Nut (Nu) der Lichtwellenleiter (LWL) so angeordnet ist, dass Licht aus dem Innern des Lichtwellenleiters (LWL) das NV-Zentrum (NV) bestrahlen kann.
- Quantentechnologische Vorrichtung mit einem Siliziumrahmen (SiF); mit einem Diamantsubstrat (Dia); mit einem Lichtwellenleiter (LWL); wobei das Diamantsubstrat (Dia) ein NV-Zentrum (NV) aufweist; wobei der Siliziumrahmen (SiF) eine Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens (SiF) aufweist und wobei der Siliziumrahmen (SiF) eine Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens (SiF) aufweist und wobei der Siliziumrahmen (SiF) von der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens (SiF) zur Oberfläche der Unterseite des Siliziumrahmens (SiF) einen Durchlass aufweist, so dass das topologische Geschlecht der Form des Siliziumrahmens größer 0 ist, und wobei in der Oberfläche des Siliziumrahmens (SiF) eine Vertiefung angeordnet ist und wobei das Diamantsubstrat (Dia) in dem Durchlass angeordnet ist und wobei der Siliziumrahmen (SiF) eine Nut (Nu) in der Oberfläche der Oberseite des Siliziumrahmens (SiF) aufweist und wobei in der Nut (Nu) der Lichtwellenleiter (LWL) so angeordnet ist, dass Licht aus dem Innern des Lichtwellenleiters (LWL) das NV-Zentrum (NV) bestrahlen kann.
- Träger (Interposer eWLB) mit zumindest einer Leitungsebene mit elektrischen Leitungen auf diesem Träger (Interposer eWLB) gekennzeichnet dadurch dass er ein quantentechnologisches Funktionselement, insbesondere ein Diamantsubstrat (Dia) mit zumindest einem Q-Node und zumindest einer Leitung (VL1), mit einer Oberfläche des quantentechnologischen Funktionselements umfasst und dass die Oberfläche des quantentechnologischen Funktionselements mit einer Oberfläche der Leitungen der Ebene der Leitungsebene auf dem Träger (Interposer eWLB), insbesondere der Unterkante dieser Leitungen fluchtet und dass das quantentechnologische Funktionselement und der Träger (Interposer eWLB) zumindest teilweise von einer Vergussmasse bedeckt sind.
- Träger nach
Anspruch 27 dass das quantentechnologische Funktionselement zumindest eine Leitung, insbesondere eine erste vertikale Leitung (VL1), umfasst und mit zumindest zwei Lötkugeln (Solder-Balls). - Träger nach
Anspruch 27 oder28 wobei die Vergussmasse eine Öffnung HO aufweist, die einen optischen Pfad oder eine fluidische Zugangsöffnung von außerhalb des Trägers bis zu dem quantentechnologischen Funktionselement eröffnet. - Träger nach
Anspruch 29 wobei die Öffnung HO dazu geeignet und/oder vorgesehen ist, einen Lichtwellenleiter LWL aufzunehmen und/oder wobei die Öffnung einen Lichtwellenleiter (LWL) umfasst. - Ball-Grid-Array mit einem Träger (Interposer eWLB) nach einem der
Ansprüche 27 bis30 und gekennzeichnet dadurch dass es zumindest zwei Lötkugeln (Solder-Balls) aufweist und dass diese mindestens zwei Lotkugeln elektrisch mit elektrischen Leitungen dieser elektrischen Leitungen auf dem Träger verbunden sind.
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