DE102022207844A1 - Integrierter Schaltkreis für einen Quantencomputer, sowie Quantencomputer und Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Integrierter Schaltkreis (1) für einen Quantencomputer (2), aufweisend:- einen optischen Eingang (13), welcher zum Empfangen eines optischen Übertragungssignals (9) ausgebildet ist,- einen optischen Ringresonator (40) der dazu ausgebildet ist, das optische Übertragungssignal (9) in den optischen Ringresonator (40) einzukoppeln und ein optisches Ausgangssignal (41) in Abhängigkeit von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal (9) zu modulieren,- eine Transformationseinrichtung (14), welche zum Erzeugen eines elektrischen Signals (15) abhängig vom dem optischen Ausgangssignal (41) ausgebildet ist,- eine Kopplungseinrichtung (19), welche zum Einkoppeln des elektrischen Signals (15) in eine Quantenbit-Einheit (4, 6), welche zumindest ein Quantenbit (5, 7) aufweist, und zum Auskoppeln eines elektrischen Kontrollsignals (22) aus der Quantenbit-Einheit (4, 6) ausgebildet ist, und- einem elektrischen Ausgang (24), welcher zum Bereitstellen des elektrischen Kontrollsignals (22) ausgebildet ist.Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Quantencomputer (2) und ein Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises (1).

Description

• Die Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis für einen Quantencomputer.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Quantencomputer mit zumindest einem integrierten Schaltkreis und einer zentralen elektronischen Recheneinrichtung.
• Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises.
• Beispielsweise offenbart die US 2018/0081255 A1 ein Verfahren und Systemverfahren zum Erzeugen optischer mehrteiliger Quantenzustände, umfassend das Erzeugen optischer Felder durch mindestens zwei verschiedene spontane Vierwellen-Mischprozesse und das Überlappen der von den verschiedenen spontanen Vierwellen-Mischprozessen spontan erzeugten optischen Felder in einen gleichen Resonatormodus ein nichtlinearer Resonator dritter Ordnung. Das System umfasst eine mehrfarbige Laserquelle, die einen nichtlinearen Resonator dritter Ordnung.
• Ferner offenbart die die US 2021/0174235 A1 ein Verfahren und System zum Erzeugen eines hyperverschränkten hochdimensionalen Zeit-Bin-Frequenz-Bin-Zustands, wobei das Verfahren das Erzeugen eines hyperverschränkten Zustands umfasst, der aus einem zeit-Bin- und einem Frequenz-Bin-codierten Zustand besteht, und individuelles Modifizieren von mindestens einem von der Amplitude und der Phase der Zustandskomponenten bei verschiedenen Frequenz-Bins und verschiedenen Zeit-Bins des hyperverschränkten Zustands. Das System umfasst ein nichtlineares Medium, das mit mehreren Impulsen in breiten Phasenanpassungsbedingungen angeregt wird, einen Frequenzmodus-Separator und einen Amplituden-/Phasenmodulator, wobei der Frequenzmodus-Separator Frequenzmoden des hyperverschränkten Zustands zeitlich und räumlich trennt.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen integrierten Schaltkreis zu schaffen, sodass ein Quantencomputer mit geringerem Bauraumbedarf und geringeren Kosten hergestellt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch einen integrierten Schaltkreis, einen Quantencomputer und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Integrierter Schaltkreis für einen Quantencomputer, aufweisend:
• - einen optischen Eingang, welcher zum Empfangen eines optischen Übertragungssignals ausgebildet ist,
• - einen optischen Ringresonator der dazu ausgebildet ist, das optische Übertragungssignal in den optischen Ringresonator einzukoppeln und ein optisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal zu modulieren,
• - eine Transformationseinrichtung, welche zum Erzeugen eines elektrischen Signals abhängig vom dem optischen Ausgangssignal ausgebildet ist,
• - eine Kopplungseinrichtung, welche zum Einkoppeln des elektrischen Signals in eine Quantenbit-Einheit, welche zumindest ein Quantenbit aufweist, und zum Auskoppeln eines elektrischen Kontrollsignals, welches auf dem elektrischen Signal basiert, aus der Quantenbit-Einheit ausgebildet ist, und
• - einem elektrischen Ausgang, welcher zum Bereitstellen des elektrischen Kontrollsignals ausgebildet ist.
• Durch den erfindungsgemäß integrierten Schaltkreis kann vor allem ein Quantencomputer in seinem Bauraum und in seinen Kosten reduzierter hergestellt beziehungsweise bereitgestellt werden. Vor allem kann mithilfe des integrierten Schaltkreises ein Quantencomputer einfacher realisiert und betrieben werden.
• Mithilfe des integrierten Schaltkreises kann eine Präparation, Kontrolle und Messung von Quantenbits beziehungsweise Qubits eines Quantencomputers einfacher durchgeführt beziehungsweise realisiert werden. Dies kann beispielsweise durch das Einkoppeln des elektrischen Signals, welches beispielsweise ein Signal beziehungsweise eine Strahlung im mm-Wellenlängenbereich ist, realisiert werden. Somit können beispielsweise Quantenzustände des Quantenbits beziehungsweise von mehreren Quantenbits überwacht werden.
• Der vorgeschlagene integrierte Schaltkreis kann dazu verwendet werden, um eine elektronischphotonische Kointegration von Ringresonatoren, insbesondere von Mikro-Ring-Resonatoren (MRR), in Halbleitern als Frequenzkonverter und Pulssynthesizer für Quantencomputer zu nutzen.
• Mithilfe des vorgeschlagenen integrierten Schaltkreises kann beispielsweise eine hochstabile Elektronik zur Erzeugung der Strahlung im mm-Wellenbereich (Mikrowellenbereich) bereitgestellt werden. Der vorgeschlagene integrierte Schaltkreis benötigt eine kostenminimierte Elektronik und weniger Bauraum, sodass dies besonders vorteilhaft für den Quantencomputer verwendet werden kann.
• In bisherigen Quantencomputern, wie speziell im genannten Stand der Technik, erfolgt eine Weiterleitung der Strahlung im mm-Wellenbereich durch Koaxialkabel und Wellenleiter im mm-Wellenbereich. Diese weisen eine hohe Dämpfung auf und verringern den Gütefaktor eines Quantenbits beispielsweise. Für die Übertragung dieser Strahlung durch die Koaxialkabel wird in den im Stand der Technik eingesetzten Quantencomputern eine hohe Kühlleistung benötigt. Genau hier setzt der erfindungsgemäße integrierte Schaltkreis vorteilhaft ein, da die Übertragung des optischen Übertragungssignals über einen optischen Eingang erfolgt, also erfolgt hier eine optische Übertragung. Die Umwandlung dieses optischen Signals in das elektrische Signal, welches insbesondere in einem Mikrowellenfrequenzbereich liegt, erfolgt innerhalb des integrierten Schaltkreises. Somit kann hier eine einfache Übertragung optischer Signale zunächst an den integrierten Schaltkreis erfolgen und dort erst die Umwandlung in ein elektrisches Signal beziehungsweise in eine elektromechanische Strahlung. Demzufolge kann vor allem ein Kühlaufwand des Quantencomputers minimiert beziehungsweise reduziert werden.
• Beispielsweise kann der erfindungsgemäße integrierte Schaltkreis als elektronisch-photonisch ko-integrierter Schaltkreis beziehungsweise Chip ausgebildet sein. Ein solch elektronisch-photonisch kointegrierter Chip kann als sogenannter EPIC-Chip bezeichnet werden. Somit kann für eine Präparation, Kontrolle und Messung von Quantenbits in einem Quantencomputer ein elektronisch-photonisch kointegrierter Halbleiterschaltkreis, insbesondere der erfindungsgemäß integrierte Schaltkreis, verwendet werden. Mithilfe des integrierten Schaltkreises können Mikrowellenstrahlungen in einem Frequenzbereich zwischen 1 Gigahertz und 300 Gigahertz durch die optische Übertragung des optischen Übertragungssignals erzeugt werden. Dabei kann beispielsweise eine Frequenzkonversion vom Terahertz-Spektralbereich in den Mikrowellen-Spektralbereich mittels des elektronisch-photonisch kointegrierten Halbleiterschaltkreises durchgeführt werden. Des Weiteren kann mithilfe des erfindungsgemäßen Schaltkreises eine Erzeugung, eine Manipulation und eine Konversion von Terahertz-Strahlungen beziehungsweise Terahertz-Signalen in den Mikrowellenbereich vorgenommen werden.
• Besonders vorteilhaft ist beim erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreis die Kointegration beziehungsweise Integration von einem photonisch-elektronischen Schaltkreis auf ein und demselben Halbleiter wie die Quantenbits des Quantencomputers. Beispielsweise kann mittels eines CW-Lasers, einer ASE-Quelle oder eines Pulslasers ein Pulszug mit einer speziellen Pulswiederholrate f_rep erzeugt werden. Diese Pulswiederholrate kann mittels Photostrom-Messung, Heterodyn-Messung oder Homodyn-Messung gemessen werden. Die Pulswiederholrate kann sich innerhalb eines GHz-Bereichs befinden und kann direkt als Treibersignal des Quantencomputers verwendet werden.
• Beispielsweise kann der integrierte Schaltkreis durch die Kointegration von elektronischphotonischen Elementen und den Quantenbits hergestellt werden. Für die Kointegration kann eine Silizium-Photonen-Technologie verwendet werden. Dies ermöglicht die monolithische Integration von photonischen Bauelementen, Hochfrequenzelektronik und digitale Elektronik gemeinsam auf einem Chip. Eine technische Information eines solchen Systems liegt dabei in der Signalübertragung von Gigahertzsignalen mittels des optischen Trägersignals im Terahertz-Frequenzbereich. Eine Zentralstation, welche auch als zentrale elektronische Recheneinrichtung bezeichnet werden kann, erzeugt eine optische Trägerfrequenz im Terahertzbereich, wie das optische Übertragungssignal. Auf diese wird das Übertragungssignal moduliert und über optische Fasern beispielsweise an den integrierten Schaltkreis übermittelt. Hierzu kann beispielsweise eine Frequenzverachtfachung stattfinden.
• Beispielsweise kann der integrierte Schaltkreis als photonisch-elektronischer Halbleiter-Chip ausgebildet sein. Des Weiteren kann der integrierte Schaltkreis auch als integrierte Schaltung (englisch: „Integrated Circuit IC“) bezeichnet werden.
• Durch den vorgeschlagenen integrierten Schaltkreis kann beispielsweise ein höchster Grad der Miniaturisierung auf Chipebene für den Quantencomputer erreicht werden, sodass eine geringere Kühlleistung benötigt wird. Des Weiteren bietet der vorgeschlagene Schaltkreis den Vorteil, dass ein inhärentes und rauscharmes Gigahertzsignal bereitgestellt werden kann. Des Weiteren kann eine Verkleinerung der benötigten Chipfläche erreicht werden, vor allem gegenüber konventioneller Elektronik. Des Weiteren bietet der integrierte Schaltkreis bei Einsatz in einem Quantencomputer den Vorteil, dass eine Dephasierungszeit der Quantenbits und eine Kohärenzzeit der Quantenbits erhöht werden kann. Gleichzeitig kann eine Verringerung einer Fehlerrate der Quantenbits erreicht werden. Des Weiteren kann eine Kostenreduktion gegenüber konventioneller Elektronik zur Erzeugung hochstabiler Mikrowellenstrahlung erreicht werden. Hierzu kann in besonders vorteilhafter Weise die Verwendung von Standardtelekommunikationslasern, beispielsweise CW-Lasern, insbesondere zum Erzeugen des optischen Übertragungssignals, verwendet werden.
• Beispielsweise kann der integrierte Schaltkreis auf einem Halbleiterchip in ZMOS-, SEN-CMOS- , DI-CMOS-, Hybrid-DI-CMOS-Prozessoren auf photonisch-elektronisch kointegriertem Chip erzeugt beziehungsweise hergestellt werden.
• Des Weiteren kann durch den erfindungsgemäßen Schaltkreis die notwendige Hardware zur Mikrowellenstrahlungserzeugung beziehungsweise zur Erzeugung eines Signals im Mikrowellenfrequenzbereich reduziert werden, sodass vor allem die Baugröße und insbesondere die Komplexität eines Quantencomputers reduziert werden kann. Des Weiteren kann durch die vorliegende Erfindung die Güte der Quantenbits des Quantencomputers beispielsweise erhöht werden. Des Weiteren kann erfindungsgemäß eine Stabilisierung des Phasenrauschens von Mikrowellenquellen, also Quellen zum Bereitstellen von einer Mikrowellenstrahlung, erreicht werden. Insbesondere kann mithilfe des erfindungsgemäß integrierten Schaltkreises ein verbesserter Quantencomputer realisiert werden.
• Speziell kann durch den erfindungsgemäßen Schaltkreis eine Dephasierungszeit und eine Kohärenzzeit von Quantenbits erhöht werden. Hierzu kann des Weiteren eine Verringerung einer Fehlerrate von Quantenbits erreicht werden.
• Gegebenenfalls kann mithilfe des erfindungsgemäß integrierten Schaltkreises eine Frequenzkonversion eines Terahertz-Trägersignals in dem Gigahertz-Frequenzbereich nach optischer Signalübertragung durchgeführt werden.
• Beispielsweise gibt es im Stand der Technik Quantencomputer mit 50 Quantenbits. Für die Präparation, Kontrolle und Messung der Quantenbits wird Mikrowellenstrahlung benötigt. Bisher wurde für die Erzeugung der Mikrowellenstrahlung mittels Signalgeneratoren für Basisbandsignale, Seitenbandmodulatoren und Demodulatoren durchgeführt. Die Übertragung erfolgt mittels Koaxialkabel und Mikrowellen-Wellenleiter. Dieser sehr komplexe elektronische Aufbau kann durch den Einsatz des erfindungsgemäß integrierten Schaltkreises in einen Quantencomputer minimiert beziehungsweise verhindert werden.
• Quantencomputer können bis zu 127 Quantenbits zur Berechnung aufweisen. Die für die Bereitstellung der Quantenbits beziehungsweise Qubits notwendige Hardware kann mittels eines Heliumgyrostats in den Bereich weniger Millikelvin heruntergekühlt werden. Die räumlichen Ausmaße dieses Aufbaus liegen oft im Bereich von 2 mal 3 Quadratmetern. Ein Grund für den hohen Bedarf an Platz sowie Bereitstellung der Quantenbits liegt in der Präparation, Kontrolle und Messung der Quantenbits. Um die Quantenbits in die für die Berechnung notwendigen Zustände zu präparieren, den Zustand zu kontrollieren und das Ergebnis zu messen, wird beispielsweise Strahlung im Mikrowellen-Wellenbereich verwendet. Die Zuleitung und Aufbereitung dieser Strahlen zum eigentlichen Quantenprozessor nimmt dabei einen großen Teil des Volumens ein. Darüber hinaus ist die Erzeugung der Strahlung mit hohem materiellem Aufwand verbunden. So können für die Präparation, Kontrolle und Messung des Zustands von 50 Quantenbits zirka 250 Signalgeneratoren im Gigahertz-Spektralbereich von über 60 Modulatoren und Demodulatoren für die Seitenwandsignale benötigt werden. Die Zuleitung der Signale von den Signalquellen, beispielsweise AGGs, zum Kryostaten des Quantencomputers erfolgt über Koaxialkabel. Innerhalb des Kryostaten werden die Signale durch superleitende Koaxialkabel weitergeleitet. Diese Weiterleitung, sowie gegebenenfalls eine Verstärkung und Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses der Signale innerhalb des Kryostaten, beansprucht viel Volumen und stellt extreme Anforderungen an die Güte der Signalverbindungen dar. Beispielsweise gibt es Sieben-Quantenbit-Transmon-Prozessoren auf Siliziumbasis. Hierbei wird die Mikrowellenstrahlung mit einer vorgegebenen Frequenz über superleitende Koaxialkabel in superleitende Koplanarwellen weiter zu den einzelnen Quantenbits geführt. Hierbei kann eine Integration in Silizium erfolgen. Die Signalerzeugung erfolgt jedoch bei Raumtemperatur außerhalb des Kryostaten und wird innerhalb des Kryostaten per superleitende Koaxialkabel unter hohen Verlustleistungen zugeführt. Die soeben genannten Probleme bezüglich eines Quantencomputers können durch den Einsatz zumindest eines erfindungsgemäß integrierten Schaltkreises in einen Quantencomputer gelöst werden. Dies erfolgt durch eine optische Schnittstelle zur Datenübertragung bezüglich der Messung, Kontrolle und Präparation der Quantenbits.
• Bei einem Quantenbit kann es sich beispielsweise um die kleinste Speicher-Informationseinheit des Quantencomputers handeln. Ein Quantenbit basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik und verhält sich anders als herkömmliche Bits eines normalen Computers. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits kann das Quantenbit beliebig viele Zustände gleichzeitig annehmen. Somit kann ein Quantencomputer deutlich größere Rechenleistungen aufweisen. Insbesondere handelt es sich beim Quantenbit um ein Zwei-Zustands-Quantensystem.
• Insbesondere nutzt die Erfindung eine optische Mikrowellenpulssynthese zur Manipulation von Quantenbits. Hierzu kann in einem photonischen Halbleiter mittels einer optischen Schnittstelle die Strahlung der Lasereinrichtung, welche insbesondere auch als CW-Laser ausgebildet sein kann, eingekoppelt werden. Dabei kann es sich hierbei um das optische Übertragungssignal beziehungsweise ein Trägersignal des CW-Lasers handeln. Die Strahlung propagiert innerhalb einer im Halbleiter befindlichen Linearwellenleiterstruktur. Eine weitere, ringförmige Wellenleiterstruktur, insbesondere der optische Ringresonator, ist in sehr kleinem Abstand zur linearen Wellenleiterstruktur, beispielsweise ein optisches Kopplungselement, auf dem Halbleiter angeordnet. Ist der Abstand beider Wellenleiter so gering, dass das evaneszente Feld der elektromagnetischen Strahlung von dem linearen Wellenleiter in den Ringleiter hineinragt, wird Strahlung aus dem linearen Wellenleiter in den Ringleiter eingekoppelt, welche dort propagiert. Wird die optische Pfadlänge des Rings so gewählt, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge beträgt, so interferiert das im Ringleiter propagierte Licht nach einem Umlaufzyklus konstruktiv mit dem eingekoppelten evaneszenten Feld, und es kommt zu einer Verstärkung. Da die Wechselwirkungszone zwischen linearem und ringförmigem Wellenleiter im Bereich der Wellenlänge ist, ist die Wechselwirkung beider Felder nur von kurzer Dauer, so dass nur konstruktive Interferenzen stattfinden. Somit wird ein optischer Ringresonator gebildet. Es wird mehr Laserstrahlung in den Ringleiter eingekoppelt als Verluste entstehen bis schließlich eine Sättigung der resonatorinternen Leistung einsetzt. Ein Teil des innerhalb des Ringwellenleiters propagierenden Lichts wird nach der Vollendung eines jeden Zyklus wieder in den linearen Wellenleiter ausgekoppelt und kann als Signal genutzt werden. Durch den Ringresonator wird das Licht bei geeigneter Wahl von Durchmesser und Kopplungsverhältnis der Wellenleiteramplituden moniert, so dass aus einem CW-Eingangssignal ein Puls beziehungsweise Pulszug mit hoher Spitzenintensität gebildet wird. In Halbleitern reicht der Durchmesser des optischen Ringresonators von einigen hundert Mikrometern bis zu wenigen Mikrometern. Die Umlaufzweit des Lichts bestimmt dabei eine Repetitionsrate f_rep des Ausgangssignals beziehungsweise des Pulszugs.
• Derart ausgebildete Ringresonatoren weisen hohe Gütefaktoren von q > 10⁶ auf, welche zu Spitzenintensitäten innerhalb des Resonators führen, die nicht-lineare optische Prozesse betreiben können, sogenannte Mehrphotonenprozesse. Diese treten während der Wechselwirkung von Licht hoher Intensität durch Materie auf. Die Entwicklung der elektrischen Polarisation p ist dabei ein etabliertes Modell, um mehr Photonenprozesse in der Licht-Materie-Wechselwirkung zu beschreiben. $$P={\epsilon }_0\left[X^{\left(1\right)}E+X^{\left(2\right)}{E}^2+X^{\left(3\right)}{E}^3+X^{\left(4\right)}{E}^4+\cdots \right],$$

  

  wobei p die elektrische Pulsation, X die Empfindlichkeit, E das elektrische Feld und ε₀ die elektrische Konstante beschreiben.
• Während der lineare Term mit elektrischer Empfindlichkeit X⁽¹⁾ linear mit dem elektrischen Feld skaliert, weisen Terme höherer Ordnung X⁽ⁿ⁾ mit n > 1 eine nicht lineare Proportionalität zur elektrischen Feldstärke auf. Diese Prozesse werden Mehrphotonenprozesse genannt. Dabei wird die Anzahl der benötigten Photonen mit der Ordnung n von X⁽ⁿ⁾. Effekte wie Frequenzverdopplung oder Summen- und Differenzfrequenzerzeugung benötigen zwei Photonen, erzeugen Photonen entsprechender Frequenz der fundamentalen Lichtfrequenz und induzieren somit eine nicht-Linearität zweiter Ordnung im Material. Effekte dritter Ordnung, wie Frequenzverdreifachung oder Ähnliches benötigen drei Photonen zur Frequenzkonversion der Ordnung 3 und dergleichen. Diese Effekte der nicht-linearen Licht-Materie-Wechselwirkung bieten die Möglichkeit, eine einfallende Lichtquelle nicht-linear zu modulieren.
• In dem optischen Ringresonator kann bei hinreichender Einkopplung in den Ring der nicht-lineare Brechungsindex somit nicht vernachlässigt werden. So treten zum Beispiel aufgrund des Kerr-Effekts, insbesondere bei einer Empfindlichkeit von X⁽²⁾, Vier-Wellen-Mischprozesse während der Wechselwirkung von Licht hoher Spitzenintensitäten in einem Wellenleiter auf. Durch das steige Anwachsen der Intensität in dem Ringresonator tritt dabei zunächst ein degenerative Vier-Wellen-Mischprozess ein. Darin werden zwei Photonen Y_P des CW-Lasers absorbiert, was insbesondere optisches Pumpen genannt wird, und ein Elektron wird auf ein virtuelles oder reales, energetisch höheres Niveau angehoben. Das Elektron fällt nach kurzer Zeit, insbesondere stimuliert, in den Grundzustand zurück. Dabei imitiert es die aufgenommen Energie in Form eines Signal- und eines Idler-Seitenband-Photon (Ys beziehungsweise Y_I), welche nur in der Summe mit der Photonenenergie mit den zwei Photonen des CW-Lasers übereinstimmen. Damit werden neue Spektraleinheiten innerhalb des Ringresonators erzeugt. Signal- und Idler-Seitenband-Photonen sind durch einen kohärenten Entstehungsprozess in Phase, Amplitude und Frequenz korreliert. Durch die zunehmende Frequenzkonversion in von Y_P nach Y_S beziehungsweise Y_I wird der Ringresonator bistabil, so dass leichte Varianzen in Phase und Frequenz entstehen, welche wiederum neue Seitenbänder der Seitenbänder erzeugen. Es setzt ein nicht-degenerativer Vier-Wellen-Mischprozess ein, und die Erzeugung neuer Frequenzen kaskadiert. Die neu erzeugten Frequenzen sind in fester Phase- und Frequenzbeziehung zueinander, die spektralen Moden sind demnach gekoppelt. Durch diese einsetzende Modenkopplung entwickelt sich ein fundamentales Soliton, so dass eine pulshohe spektrale Bandbreite ausgebildet wird, welche dispersionsfrei im Ringresonator propagiert und sich mit der Resonatorfrequenz f_rep reproduziert. Somit ist aus einem CW-Laser-Signal, insbesondere das optische Übertragungssignal, ein gepulstes Signal, welches sich durch ein extrem hohes Signal-zu-Rauschverhältnis („SNR“) und niedrigen zeitlichen Varianzen auszeichnet.
• Zum Erzeugen des Pulszustands können weitere, komplexe Wellenleiterstrukturen verwendet werden. So kann zum Beispiel ein zweiter Wellenleiter auf der gegenüberliegenden Seite des Ringresonators zur Auskopplung des Pulszugs genutzt werden. Ferner können weitere Resonatorringe mit Koppelstellen zur weiteren Einkopplung zwischen Ringresonatoren genutzt werden, welche es erlauben, die entsprechenden Frequenzbereiche von f_rep durchzustimmen. Beispielsweise können diese Ringanordnungen für Werte von r = 15 µm und r = 5 µm Pulse beziehungsweise Pulszüge mit f_rep = 100 MHz, insbesondere 80 MHz, erzeugen.
• Beispielsweise kann mit dem am elektrischen Ausgang bereitgestellten elektrischen Kontrollsignal das zumindest eine Quantenbit oder mehrere Quantenbits in einen jeweiligen für eine Berechnung des Quantencomputers notwendigen Zustand präpariert werden, um den Zustand zu kontrollieren und das Ergebnis zu messen.
• Mithilfe der Kopplungseinrichtung kann das elektrische Signal, welches auf dem optischen Übertragungssignal basiert, in die Quantenbit-Einheit und insbesondere in das zumindest eine Quantenbit eingekoppelt werden, sodass in Abhängigkeit von diesem Einkoppeln das elektrische Kontrollsignal wieder ausgekoppelt werden kann.
• Das optische Übertragungssignal kann in den Ringresonator eingekoppelt werden oder an ein in dem optischen Ringresonator umlaufenden optischen Signal auf moduliert werden.
• Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Signal um ein Signal im Mikrowellenfrequenzbereich. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Signal um eine elektromagnetische Strahlung.
• Beispielsweise kann anstelle von einem einzelnen Ringresonator auch eine Anordnung von mehreren Ringresonatoren verwendet werden. Durch mehrere Ringresonatoren, welche insbesondere verschiedene Ausgestaltungen aufweisen können, kann der Frequenzbereich der Impulsfolgefrequenz durchgestimmt werden.
• Insbesondere kann der vorgeschlagene integrierte Schaltkreis in allen auf Mikrowellentechnologie basierten Quantencomputern verwendet beziehungsweise eingesetzt beziehungsweise integriert werden. Dazu zählen beispielsweise technologische Ausführungen unter Verwendung von lonenfallen, Quantenbits, Halbleiterspinquantenbits oder Supraleitungsquantenbits.
• In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der integrierte Schaltkreis einen zum optischen Ringresonator unterschiedlichen weiteren optischen Ringresonator aufweist, welcher dazu ausgebildet ist, das optische Übertragungssignal in den weiteren optischen Ringresonator einzukoppeln und ein zum optischen Ausgangssignal unterschiedliches weiteres optisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal zu modulieren, wobei die beiden optischen Ausgangssignale unterschiedliche Impulsfolgefrequenzen aufweisen. Durch die beiden optischen Ausgangssignale kann ein Mikrowellenpuls synthetisiert werden. Mittels der beiden Ringresonatoren kann eine zeitliche Adjustierung der Teilfrequenzen der beiden Ausgangssignale durchgeführt werden.
• Insbesondere können die beiden Ringresonatoren dazu verwendet werden, um GHz-Pulse oder andere Frequenzen betreffend des Quantenbits eines Quantencomputers zu synthetisieren beziehungsweise zusammenzusetzen beziehungsweise zu verknüpfen. Hierzu können zwei Frequenzkämme mit unterschiedlichen Pulswiederholraten verwendet werden. Dazu kann ein jeweiliger Durchmesser eines Ringresonators unterschiedlich bezüglich des anderen Ringresonators ausgelegt werden, so dass die Frequenzkämme zueinander leicht spektral verschoben sind. Alternativ können Frequenzfilter oder andere Frequenzmodulatoren verwendet werden.
• In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Transformationseinrichtung eine Detektionseinheit aufweist, wobei die Detektionseinheit dazu eingerichtet ist, ein weiteres elektrisches Signal abhängig von den beiden optischen Ausgangssignalen zu erzeugen, und die Kopplungseinrichtung ausgestaltet ist, das weitere elektrische Signal in die Quantenbit-Einheit, einzukoppeln. Beispielsweise kann das weitere elektrische Signal anstelle des elektrischen Signals in die Quantenbit-Einheit eingekoppelt werden.
• Bei der Detektionseinheit kann es sich speziell um eine Heterodyn-Detektionseinheit handeln. Mittels der Detektionseinheit kann eine Überlagerung der beiden Frequenzkämme detektiert werden, so dass eine Differenzfrequenz gemessen werden kann. Eine Folge der Differenzfrequenz beider Frequenzkämme kann somit die einzelnen Frequenzen liefern. Dementsprechend kann eine optische Pulssynthese durchgeführt werden. Die resultierenden Frequenzen können einen Pulszug im GHz-Spektralbereich bilden, welcher zur Kontrolle, Messung und Präparierung von Quantenbits verwendet werden kann.
• In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung eine Zirkulatoreinheit aufweist, wobei die Zirkulatoreinheit dazu eingerichtet ist, das elektrische Signal an die Quantenbit-Einheit und das elektrische Kontrollsignal an den elektrischen Ausgang entsprechend einer vorgegebenen Zirkulationsrichtung weiterzuleiten. Durch die Zirkulatoreinheit kann insbesondere ein Rückfluss beziehungsweise eine Rückkopplung beziehungsweise eine Signalrückübertragung verhindert werden. Entsprechend der vorgegebenen beziehungsweise festgelegten Zirkulationsrichtung kann beispielsweise zunächst das elektrische Signal, insbesondere unverändert, an die Quantenbit-Einheit weitergeleitet beziehungsweise eingekoppelt werden. Entsprechend der Zirkulationsrichtung wiederum kann aus der Quantenbit-Einheit das elektrische Kontrollsignal ausgeleitet beziehungsweise ausgekoppelt wird und wiederum entsprechend der vorgegebenen Zirkulationsrichtung das elektrische Kontrollsignal an den elektrischen Ausgang weitergegeben werden.
• Bei der Zirkulatoreinheit kann es sich beispielsweise um ein Bauelement oder eine Schaltung zur Auftrennung von Signalrichtungen handeln. Dabei können beispielsweise passive Bauelemente und aktive Schaltungen unterschieden werden. Insbesondere kann es sich bei der Zirkulatoreinheit der Kopplungseinrichtung um ein passives Bauelement der Hoch- und Höchstfrequenztechnik handeln. Insbesondere kann die Zirkulatoreinheit als Zirkulator bezeichnet werden und beispielsweise drei Anschlüsse beziehungsweise Ports aufweisen. Beispielsweise kann das jeweilige Signal in einen der Ports eingespeist werden und zum jeweils nächsten Port weitergegeben werden. An einem offenen Port kann es wiederum unverändert weitergeleitet werden. Somit erfolgt die Zirkulationsrichtung beziehungsweise die Richtung der Zirkulatoreinheit von dem optischen Eingang zu der Quantenbiteinheit, von der Quantenbiteinheit zu dem elektrischen Ausgang und von dem elektrischen Ausgang wieder zum optischen Eingang. Insbesondere kann mithilfe des Zirkulators ein signaltechnischer Rückfluss verhindert werden.
• Zusätzlich oder Anstatt kann die Kopplungseinrichtung einen elektrischen Wellenleiter aufweist, wobei die Zirkulatoreinheit und die Quantenbit-Einheit mittels des elektrischen Wellenleiters miteinander verbunden sind, wobei der elektrische Wellenleiter dazu ausgestaltet ist, das elektrische Signal in die Quantenbit-Einheit einzukoppeln und das elektrische Kontrollsignal von der Quantenbit-Einheit an die Zirkulatoreinheit zu übertragen. Mit anderen Worten ausgedrückt kann das durch den Zirkulator aufgenommene elektrische Signal an den elektrischen Wellenleiter weitergegeben werden und über den elektrischen Wellenleiter an die Quantenbit-Einheit beziehungsweise an das zumindest eine Quantenbit übertragen beziehungsweise übersendet werden. In umgekehrter Art und Weise kann wiederum das elektrische Kontrollsignal der Quantenbit-Einheit über den elektrischen Wellenleiter an die Zirkulatoreinheit übertragen beziehungsweise übergeben werden und von dort an den elektrischen Ausgang. Beispielsweise kann der elektrische Wellenleiter als Streifenleitung ausgebildet sein. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Wellenleiter um eine Koplanarleitung beziehungsweise einen koplanaren Wellenleiter (englisch: „Coplanar Wave Guide“).
• Insbesondere kann mithilfe der Transformationseinrichtung ein optisches Signal, insbesondere das optische Übertragungssignal, in Mikrowellenstrahlung, also das elektrische Signal, konvertiert werden und über den elektrischen Wellenleiter und der Zirkulatoreinheit an die Quantenbit-Einheit beziehungsweise an das zumindest eine Quantenbit geleitet werden.
• In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Transformationseinrichtung eine optische Photodiode zum Erzeugen des elektrischen Signals abhängig von dem optischen Übertragungssignal aufweist. Des Weiteren kann die Transformationseinrichtung zusätzlich eine Verstärkereinheit aufweisen, wobei die Verstärkereinheit dazu ausgebildet ist, eine Frequenz des von der optischen Photodiode erzeugten elektrischen Signals in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Trägerfrequenz zu erhöhen. Mit anderen Worten ausgedrückt kann es sich bei der Transformationseinrichtung um eine Wandlereinheit zum Umwandeln von optischen Signalen in elektrische beziehungsweise elektromagnetische Signale beziehungsweise Strahlungen handeln. Insbesondere kann die Transformationseinrichtung unmittelbar anschließend an den optischen Eingang angeschlossen beziehungsweise angeordnet sein. Somit kann das empfangene optische Übertragungssignal nach dem Empfangen in das elektrische Signal umgewandelt werden. Insbesondere wird das elektrische Signal auf Basis des optischen Übertragungssignals erzeugt beziehungsweise generiert.
• Bei dem optischen Eingang kann es sich beispielsweise um ein optisches Kopplungselement zum Einkoppeln des optischen Übertragungssignals in den integrierten Schaltkreis handeln.
• Die Umwandlung des optischen Übertragungssignals in das elektrische Signal erfolgt über die optische Photodiode. Beispielsweise ist die optische Photodiode fester Bestandteil der Transformationseinrichtung.
• Zusätzlich kann die Transformationseinrichtung eine Kontrolleinheit zum Überwachen des Umwandlungsvorgangs von einem optischen Übertragungssignal in das elektrische Signal aufweisen.
• Bei der optischen Photodiode kann es sich beispielsweise um einen Detektor handeln. Des Weiteren kann die Verstärkereinheit Bestandteil der Transformationseinrichtung sein oder mit der Transformationseinrichtung elektrisch gekoppelt sein.
• Bei der Verstärkereinheit kann es sich beispielsweise um einen Leistungsverstärker, insbesondere um eine Vervielfachereinheit, handeln. Die Verstärkereinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das optische Übertragungssignal von der Frequenz auf die notwendige Trägerfrequenz zu vervielfachen und bereitzustellen. Dies hat den Vorteil, dass das optische Übertragungssignal nicht mit der vollen notwendigen Trägerfrequenz bereitgestellt werden muss. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Bruchteil von einem Achtel gewählt wird. Dadurch kann das optische Übertragungssignal mit einem Achtel einer Frequenz moduliert werden. Somit kann der optische Eingang das optische Übertragungssignal mit einer deutlich geringeren Frequenz im Vergleich zu der Frequenz für die spätere Kontrolle des Quantenbits bereitstellen. Dies ermöglicht eine einfachere und weniger komplexe Übertragung. Beispielsweise kann die Verstärkereinheit direkt unmittelbar an die optische Photodiode nachgeschaltet sein.
• In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der integrierte Schaltkreis eine Modulationseinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, ein optisches Ausgangssignal abhängig von dem elektrischen Kontrollsignal zu erzeugen. Des Weiteren kann der integrierte Schaltkreis einen optischen Ausgang zum Bereitstellen des optischen Ausgangssignals aufweisen. Des Weiteren kann die Modulationseinrichtung eingerichtet sein, das elektrische Kontrollsignal auf das optische Übertragungssignal aufzumodulieren und somit als optisches Ausgangssignal am optischen Ausgang bereitzustellen. Beispielsweise kann die Modulationseinrichtung zusätzlich eine Kontrolleinheit und einen Verstärker aufweisen. Mit diesem Verstärker kann das elektrische Kontrollsignal entsprechend verstärkt und für die Modulation aufbereitet werden. Mittels der Kontrolleinheit kann die Umwandlung des elektrischen in das optische Signal überwacht werden.
• Mit anderen Worten ausgedrückt kann der integrierte Schaltkreis zumindest einen optischen Eingang, zumindest einen elektrischen Ausgang und zumindest einen optischen Ausgang aufweisen.
• Insbesondere kann der integrierte Schaltkreis so aufgebaut sein, dass er pro Quantenbit einen optischen Eingang und einen elektrischen Ausgang aufweist.
• Zusätzlich oder anstatt kann der integrierte Schaltkreis einen optischen Rückkanal, welcher zwischen der Modulationseinrichtung und dem optischen Eingang angeordnet ist, aufweist. Der optische Rückkanal ist ausgestaltet, das optische Ausgangssignal an den optischen Eingang zurückzuführen beziehungsweise zu übertragen. Dementsprechend kann hier eine Übertragung von Messergebnissen, insbesondere des elektrischen Kontrollsignals, durch einen optischen Rückkanal stattfinden. Das elektrische Signal kann dazu analog zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung, also dem elektrischen Signal, durch einen optischen Modulator und insbesondere anhand einer dafür vorgesehenen Elektronik auf ein optisches Trägersignal moduliert werden. Dieses optische Trägersignal kann wiederum das ursprüngliche Trägersignal, das optische Signal, sein, welches durch einen Wellenleiter durch den integrierten Schaltkreis geführt ist. Dementsprechend kann das optische Ausgangssignal, welches auf dem elektrischen Kontrollsignal basiert, nicht nur über den optischen Ausgang einer externen Einheit, wie beispielsweise einem Analysegerät, zur Verfügung gestellt werden, sondern ebenfalls an den optischen Eingang zurückgeführt beziehungsweise rückgeführt werden. Somit kann hier eine Rückführung und somit eine verbesserte Erzeugung des elektrischen Signals vorgenommen werden, da das zurückgeführte optische Ausgangssignal weiter berücksichtigt werden kann.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der integrierte Schaltkreis als ein Ein-Chip-System ausgebildet ist. Dementsprechend können auf ein und demselben Chip die photonisch-elektronischen co-integrierten Elemente zusätzlich zu der Quantenbit-Einheit und somit zu den Quantenbits integriert sein.
• Unter einem Ein-Chip-System (englisch: „System-on-a-Chip“) versteht man die Integration aller oder eines großen Teils der Funktionen eines programmierbaren elektronischen Systems auf einem Chip, also einen integrierten Schaltkreis auf einem Halbleiter-Substrat, auch monolithische Integration genannt. Beispielsweise wird als Substratmaterial Silizium verwendet, wobei man hier auch von System-on-Silicon (SOS) spricht. Als Ein-Chip-System kann eine Kombination unterschiedlicher Elemente, wie beispielsweise logische Schaltungen, Taktgebung, selbstständiges Anlaufen, mikrotechnische Sensoren et cetera aufgefasst werden, die zusammen eine bestimmte Funktionalität bereitstellen, beispielsweise einen Schaltkreis für einen Quantencomputer. Solche Ein-Chip-Systeme werden beispielsweise in eingebetteten Systemen verwendet. Während konventionelle Systeme anfänglich auch einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller-PC und vielen anderen PCs für spezielle Funktionen bestanden, die auf einer Platine aufgelötet waren, können durch die Integrationsdichte des System-on-a-Chip nahezu alle Funktionen auf einem einzigen PC vereint werden. Dabei können digitale, analoge und Mixed-Signal-Funktionseinheiten integriert werden. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass vor allem eine Kosteneinsparung, geringerer Energieverbrauch beziehungsweise Verlustleistung und eine umfassende Miniaturisierung durchgeführt werden können.
• Mit anderen Worten sind alle Komponenten des integrierten Schaltkreises auf einem einzigen integrierten Schaltkreis integriert. Folglich kann die Funktionalität des Quantencomputers mit nur einem einzigen integrierten Schaltkreis beziehungsweise einem einzigen Chip durchgeführt werden. Anders ausgedrückt ist der integrierte Schaltkreis als Stand-alone-Einheit voll funktionsfähig. Durch die Verwendung eines einzigen Chips beziehungsweise integrierten Schaltkreises werden die Verarbeitungen beziehungsweise Rechenleistungen des Quantencomputers durchgeführt.
• Mit anderen Worten ausgedrückt befinden sich auf dem integrierten Schaltkreis alle Elemente zur optischen Erzeugung von Mikrowellenstrahlung als auch das zumindest eine Quantenbit beziehungsweise mehrere Quantenbits.
• Beispielsweise kann der Quantencomputer mehrere integrierte Schaltkreise aufweisen. Dazu kann ein jeweiliger integrierter Schaltkreis ein oder mehrere Quantenbits aufweisen. Besonders vorteilhaft ist, wenn der integrierte Schaltkreis mehrere Quantenbits aufweist, sodass der Quantencomputer für die Datenverarbeitung beziehungsweise eine Rechenleistung die Superposition mehrerer Quantenbits verwenden kann.
• Besonders vorteilhaft kann der Quantencomputer zur Verarbeitung beziehungsweise Berechnung großer Datenmengen verwendet werden. Hierzu kann beispielsweise der Quantencomputer für die Verarbeitung von Flottendaten einer Fahrzeugflotte verwendet werden. Beispielsweise kann ein solcher Quantencomputer als Backend beziehungsweise Server für eine Fahrzeugflotte oder ein anderes Multi-Fahrzeug-System verwendet werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Quantencomputer mit zumindest einem integrierten Schaltkreis nach dem vorherigen Aspekt oder einer vorteilhaften Weiterbildung davon und einer zentralen elektronischen Recheneinrichtung, wobei
• - die zentrale elektronische Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die optischen Übertragungssignale für den integrierten Schaltkreis zu erzeugen und das elektrische Ausgangssignal zu empfangen,
• - die zentral elektronische Recheneinrichtung über zumindest eine Glasfaser mit dem optischen Eingang des integrierten Schaltkreises gekoppelt ist.
• Insbesondere kann der soeben vorgeschlagene Quantencomputer die nach dem vorherigen Aspekt geschilderten integrierten Schaltkreise aufweisen. Insbesondere kann der Quantencomputer mehrere solcher integrierten Schaltkreise aufweisen.
• Insbesondere handelt es sich bei der zentralen elektronischen Recheneinrichtung um eine zum integrierten Schaltkreis verschiedene körperlich getrennte Einheit. Insbesondere ist die zentrale elektronische Recheneinrichtung nicht Bestandteil des integrierten Schaltkreises. Die zentrale elektronische Recheneinrichtung kann im Vergleich zu dem integrierten Schaltkreis ein dazu verschiedener Halbleiter-Chip beziehungsweise integrierter Schaltkreis sein.
• Beispielsweise kann mit Hilfe der zentralen elektronischen Recheneinrichtung die gesamte Signalverarbeitung und Signalauswertung durchgeführt werden.
• Insbesondere kann die zentrale elektronische Recheneinrichtung eine optische Trägerfrequenz, insbesondere das optische Übertragungssignal, in Terahertz-Frequenzbereich erzeugen. Auf diese kann das zu übertragene Signal und optional weitere Seitenbänder mit 1/n einer Mikrowellenfrequenz moduliert werden und an den integrierten Schaltkreis des Quantencomputers beziehungsweise des Quantenprozessors gesendet werden.
• Alle Daten können auf der Zentralstation, insbesondere der zentralen elektronischen Recheneinrichtung, prozessiert werden.
• Die zentrale elektronische Recheneinrichtung ist über eine oder mehrere Glasfasern mit dem optischen Eingang des integrierten Schaltkreises gekoppelt. Folglich wird das optische Übertragungssignal, welches durch die zentrale elektronische Recheneinrichtung erzeugt wurde, in die Glasfaser eingekoppelt und über optische Signalübertragung an den optischen Eingang übertragen. Somit erfolgt die Übertragung des Trägersignals über optische Übertragungswege. Insbesondere kann es sich bei der Glasfaser um eine Glasfaserleitung handeln. Ebenfalls denkbar ist, dass die zentrale elektronische Recheneinrichtung über eine Glasfaser mit deinem optischen Ausgang des integrierten Schaltkreises gekoppelt.
• Speziell kann der integrierte Schaltkreis das Kontrollsignal an die zentrale elektronische Recheneinrichtung zum Kontrollieren, Messen, Überprüfen und/oder Präparieren des zumindest einen Quantenbits übertragen.
• In einem Ausführungsbeispiel des weiteren Aspekts ist vorgesehen, dass die zentrale elektronische Recheneinrichtung eine Lasereinrichtung zum Erzeugen des optischen Übertragungssignals aufweist.
• Des Weiteren ist die Lasereinrichtung eingerichtet, die optischen Übertragungssignale in die zumindest eine Glasfaser, welche mit dem optischen Eingang der Radarsensorvorrichtung gekoppelt ist, einzukoppeln. Beispielsweise kann die Lasereinrichtung zusätzlichen einen optischen Frequenzkamm aufweisen. Des Weiteren kann die Lasereinrichtung für das Einkoppeln der Übertragungssignale in die zumindest eine Glasfaser einen optischen Switch beziehungsweise eine Vermittlungsstelle beziehungsweise einen Verbindungsknoten aufweisen, mit welchem beispielsweise das optische Übertragungssignal beziehungsweise das optische Signal an den integrierten Schaltkreis übermittelt werden kann.
• Somit können mithilfe des optischen Switch das optische Übertragungssignal an mehrere integrierte Schaltkreise und/oder an mehrere optische Eingänge übertragen werden.
• Insbesondere kann das Einkoppeln des optischen Übertragungssignals in Abhängigkeit von elektrischen Steuersignalen einer Diagnoseeinheit und/oder einer Kontrolleinheit erfolgen.
• Insbesondere kann mit Hilfe der Lasereinrichtung, welche insbesondere ein CW-Laser („englisch: continuous-wave laser“) sein kann, das optische Übertragungssignal in Abhängigkeit von einem Trägersignal, insbesondere in Abhängigkeit einer Trägerfrequenz, erzeugt beziehungsweise generiert werden. Hierzu kann insbesondere ein elektrisches Steuersignal berücksichtigt werden.
• Beispielsweise kann die zentrale elektronische Recheneinrichtung zumindest einen Faserausgang und einen Fasereingang aufweisen.
• Des Weiteren kann zentrale elektronische Recheneinrichtung ein optisches Kontrollelement zum Anpassen einer optischen Eigenschaft des optischen Übertragungssignals aufweist.
• Beispielsweise kann eine Phase, eine Polarisation und/oder eine Chirp des optischen Signals angepasst beziehungsweise verändert werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines integrierten Schaltkreises nach einem der vorherigen Aspekte oder einer vorteilhaften Weiterbildung davon. Erfindungsgemäß kann in Abhängigkeit von einem Evaneszenz-Feld, welches durch das optische Übertragungssignal hervorgerufen wird, das optische Übertragungssignal in den optischen Ringresonator eingekoppelt werden. Mittels eines Vier-Wellen-Mischprozess kann das optische Ausgangssignal in dem optischen Ringresonator abhängig von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal erzeugt werden, wobei ein Brechungsindex des optischen Ringresonator durch das eingekoppelte optischen Übertragungssignals moduliert wird, wodurch eine Impulsfolgefrequenz des optischen Ausgangssignals moduliert wird. Das erzeugte elektrische Signal, welches auf dem modulierten optischen Ausgangssignal basiert, kann in die Quantenbit-Einheit eingekoppelt werden, wodurch das zumindest eine Quantenbit manipuliert werde kann.
• Somit kann ein Verfahren zur Erhöhung einer Quantenbit-Dephasierungszeit, zur Erhöhung der Quantenbit-Kohärenzzeit und zur Verringerung der Quantenbit-Fehlerrate bei gleichzeitiger Reduktion der notwendigen Hardware zur Mikrowellenstrahlungserzeugung bereitgestellt werden. Dadurch kann eine Stabilisierung des Phasenrauschens von Mikrowellenquellen erreicht werden. Somit kann eine Quantenbit-Güte erhöht werden.
• Insbesondere kann durch das Verfahren eine optische Mikrowellenpulssynthese zur Manipulation eines Quantenbits durchgeführt werden.
• Insbesondere erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass das elektrische Signal abhängig vom dem empfangenen optischen Übertragungssignal erzeugt wird. Des Weiteren kann das erzeugte elektrische Signal in die Quantenbit-Einheit eingekoppelt wird, wodurch das elektrische Kontrollsignal erzeugt wird, und abhängig vom dem erzeugten elektrischen Kontrollsignal das zumindest eine Quantenbit der Quantenbit-Einheit überprüft, präpariert und/oder kontrolliert werden kann.
• Anschließend kann das erzeugte Kontrollsignal an die zentrale elektronische Recheneinrichtung übertragen und dort weiterverarbeitet werden. Somit erfolgt die Verarbeitung des Kontrollsignals in der zum integrierten Schaltkreis separaten und körperlich getrennten zentralen elektronischen Recheneinrichtung.
• Ausführungsbeispiele einzelner Aspekte der Erfindung sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele anderer Aspekte anzusehen. Insbesondere können die jeweiligen Ausführungsbeispiele einzelner Aspekt als vorteilhafte Ausführungsbeispiele aller anderen Aspekte angesehen werden. Dies gilt in umgekehrter Art und Weise ebenso.
• Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des integrierten Schaltkreises sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Quantencomputers sowie des Verfahrens anzusehen. Der integrierte Schaltkreis und der Quantencomputer weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
• Für Anwendungsfälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem Verfahren ergeben können und die hier nicht explizit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Aufforderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initialzustand eingestellt wird.
• Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Quantencomputers und des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Quantencomputers und des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
• Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
• 1 ein beispielhaftes Blockschaltbild eines integrierten Schaltkreises für einen Quantencomputer;
• 2 eine schematische Darstellung eines Quantencomputers;
• 3 ein beispielhaftes Blockschaltbild einer zentral elektronisches Recheneinrichtung, welche mittels elektrischer und/oder optischer Übertragungswege mit dem integrierten Schaltkreis aus 1 gekoppelt ist;
• 4 ein beispielhaftes Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des integrierten Schaltkreises aus 1, wobei hier ein optischer Rückkanal zusätzlich vorgesehen ist;
• 5 ein beispielhaftes Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des integrierten Schaltkreises aus 1, wobei hier ein RF-Treiber zusätzlich vorgesehen ist;
• 6 ein beispielhaftes Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des integrierten Schaltkreises aus 1, wobei hier mittels eines weiteren Ringresonators eine Pulssynthese durchgeführt werden kann ist;
• 7 ein Ausführungsbeispiel eines Diagramms mit zwei verstimmten Frequenzkämmen ausgehend von der 6;
• 8 ein Ausführungsbeispiel eines Diagramms mit zwei extrem verstimmten Frequenzkämmen ausgehend von der 6; und
• 9 ein Ausführungsbeispiel eines Diagramms mit eines synthetisierten Mikrowellenrechteckpulses ausgehend von der 6.
• Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
• In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• In der 1 ist eine Beispielansicht, insbesondere eine Blockschaltbilddarstellung, eines integrierten Schaltkreises 1, insbesondere eines Chips, dargestellt. Dieser kann Bestandteil eines Quantencomputers 2 (vergleiche 2) sein. Insbesondere kann der integrierte Schaltkreis 1 in dem Quantencomputer 2 beziehungsweise einem Quantenprozessor integriert werden. Der integrierte Schaltkreis 1 dient insbesondere für die Datenverarbeitung beziehungsweise für die Rechenleistung beziehungsweise für die Prozessorleistung des Quantencomputers 2. Ein solcher Quantencomputer 2 kann beispielsweise mehrere integrierte Schaltkreise 3 (vergleiche 2) aufweisen. Somit kann der Quantencomputer 2 neben dem integrierten Schaltkreis 1 weitere integrierte Schaltkreise 3 aufweisen. Je nach Leistungsanforderung beziehungsweise Prozessorleistung des Quantencomputers 2 kann die Anzahl der integrierten Schaltkreise 1, 3 festgelegt beziehungsweise definiert werden.
• Der integrierte Schaltkreis kann insbesondere Quantenbits („Qbit“) des Quantencomputers 2 aufweisen beziehungsweise enthalten. Die Quantenbits dienen für die eigentliche Prozessorleistung beziehungsweise Rechenleistung des Quantencomputers 2. Beispielsweise kann in einem Ausführungsfall der integrierte Schaltkreis 1 zumindest eine Quantenbit-Einheit 4 aufweisen, welche wiederum zumindest ein Quantenbit 5 aufweist. Jedoch kann in einem anderen Ausführungsbeispiel, wie beispielsweise in der 1 beispielhaft dargestellt, der integrierte Schaltkreis 1 eine weitere Quantenbit-Einheit 6 und ein weiteres Quantenbit 7 aufweisen. Je nach Anwendungsfall beziehungsweise Ausgestaltung beziehungsweise Architektur des Quantencomputers 2 können beliebig viele Quantenbits auf dem integrierten Schaltkreis 1 integriert werden.
• Wie in der 1 beispielhaft dargestellt, weist der integrierte Schaltkreis 1 zwei Quantenbits 5, 7 auf. Diese können beispielsweise wiederum so verschaltet sein, dass von diesen beiden Quantenbits 5, 7 Daten, Informationen beziehungsweise Signale an weitere Quantenbits, welche beispielsweise auf anderen integrierten Schaltkreisen 3 angeordnet sind, übertragen beziehungsweise übermittelt werden. Dies hängt je nach Systemarchitektur des Quantencomputers 2 ab. Beispielsweise kann hierfür eine Übertragungsleitung 8 von den beiden Quantenbit 5, 7 zu anderen Quantenbits verwendet werden.
• Für die Reparation, Kontrolle und Messung eines jeweiligen Zustands der Quantenbits des Quantencomputers 2 werden Signale im Gigahertz-Spektralbereich, also in dem Mikrowellenfrequenzbereich, benötigt. Diese werden, wie bereits eingangs erläutert, im Stand der Technik durch komplexe, aufwendige und kostenintensive Signalgeneratoren beispielsweise erzeugt und über spezielle Koaxialkabel übertragen. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann der integrierte Schaltkreis 1 als elektronisch-photonisch kointegrierter Schaltkreis ausgebildet sein. Somit kann der integrierte Schaltkreis 1 neben der zumindest einen Quanteneinheit 4 und dem zumindest einen Quantenelement 5 Elemente beziehungsweise Komponenten zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung aufweisen. Somit kann der Quantencomputer 2 aus zumindest einem elektronisch-photonisch ko-integrierten Chip, einem sogenannten EPC-Chip, ausgebildet sein. Hierfür kann eine Silizium-Photonik-Technologie verwendet werden. Diese ermöglicht die monolithische Integration von photonischen Bauelementen, Hochfrequenzelektronik und Digitalelektronik gemeinsam auf einem Chip.
• Hierzu kann im integrierten Schaltkreis 1 ein optisches Übertragungssignal 9 übertragen werden. Dieses kann von einer zentralen elektronischen Recheneinrichtung 10 (vergleiche 3) bereitgestellt werden. Somit kann der Quantencomputer 2 mehrere integrierte Schaltkreise 1, 3 aufweisen. Diese können von einer einzigen zentralen elektronischen Recheneinrichtung 10 beziehungsweise einer Zentraleinheit über optische und/oder elektrische Übertragungswege verbunden sein. Hierbei können die zentrale elektronische Recheneinrichtung 10 und der integrierte Schaltkreis 1 körperlich getrennte und separate Einheiten sein. Beispielsweise kann die zentrale elektronische Recheneinrichtung 10 ein elektrisches Steuersignal erzeugen, mit welchem eine Lasereinrichtung 11 (vergleiche 3) angesteuert beziehungsweise gesteuert werden kann.
• Bei der Lasereinrichtung 11 kann es sich beispielsweise um einen CW-Laser, einen Mikro-Ringresonator oder um eine ASE-Quelle handeln. Mithilfe der Lasereinrichtung 11 kann vor allem das optische Übertragungssignal 9 erzeugt werden. Das optische Übertragungssignal 9 kann beispielsweise als Trägersignal bezeichnet werden. Insbesondere kann das optische Übertragungssignal 9 im Terahertz-Frequenzbereich liegen. Dieses im Terahertz-Frequenzbereich liegende optische Übertragungssignal 9 kann eine optische Übertragung von der zentralen elektronischen Recheneinrichtung 10 an den integrierten Schaltkreis 1 durchgeführt werden. Auf diese Art und Weise kann eine Frequenzvervielfachung, insbesondere eine Frequenzverachtfachung, stattfinden. Hierzu kann beispielsweise die zentrale elektronische Recheneinrichtung 10 zumindest eine Glasfaser 12 (vergleiche 3) aufweisen, über welche das optische Übertragungssignal 9 an den integrierten Schaltkreis 1 übertragen werden kann. Für das Empfangen dieses optischen Übertragungssignals 9 kann der integrierte Schaltkreis 1 zumindest einen optischen Eingang 13 aufweisen. Um das optische Übertragungssignal 9 in den gewünschten Mikrowellenfrequenzbereich umwandeln beziehungsweise transformieren zu können, kann der integrierte Schaltkreis 1 eine Transformationseinrichtung 14 aufweisen.
• Um optional zumindest ein Quantenbit 5, 7 manipulieren beziehungsweise verändern zu können, kann der integrierte Schaltkreis zumindest einen optischen Ringresonator 40 aufweisen, welcher dazu ausgebildet ist, das optische Übertragungssignal 9 in den optischen Ringresonator 40 einzukoppeln und ein optisches Ausgangssignal 41 in Abhängigkeit von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal zu modulieren.
• Mit Hilfe des Eingangs 13 kann das Übertragungssignal 9 in ein Kopplungselement 42 eingekoppelt werden. Insbesondere wird das Kopplungselement 42 benachbart, insbesondere unmittelbar benachbart, zu einer Seite des optischen Ringresonators 40 angeordnet. Dabei ist insbesondere das optische Kopplungselement 42 und der Ringresonator 40 zueinander in einem vorgegebenen Kopplungsabstand 43 angeordnet. Somit weisen das Kopplungselement 42 und der Ringresonator 40 eine Lücke beziehungsweise eine Distanz zueinander auf. Insbesondere berühren sich das Kopplungselement 42 und der Ringresonator 40 nicht. In Abhängigkeit von dem Kopplungsabstand 43 kann ein Kopplungsverhältnis zwischen dem Kopplungselement 42 und dem Ringresonator 40 vorgegeben beziehungsweise definiert beziehungsweise eingestellt werden.
• Beispielsweise kann das Übertragungssignal 9 innerhalb des Kopplungselements 42 propagieren. In einer Wechselwirkungszone, in welcher insbesondere der Abstand 43 vorliegt, entsteht durch das optische Übertragungssignal 9 ein Evaneszenz-Feld, wodurch das Übertragungssignal 9 in den optischen Ringresonator 40 eingekoppelt wird. Nach einem Zyklus innerhalb des optischen Ringresonators 40 interferieren neu eingekoppelte Felder und bereits im Ringresonator 40 befindliche Felder konstruktiv. Eine Amplitudenmodulation kann somit erzeugt werden. Ein geringer Teil kann ausgekoppelt werden. Durch steigende Intensität im optischen Ringresonator 40 baut sich ein fundamentales Soliton auf, welches in Form eines Pulszugs oder des optischen Ausgangssignal 41 ausgekoppelt werden kann. Dabei kann der Pulszug in dem Ringresonator 40 abhängig von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal 9 mittels eines Vier-Wellen-Mischprozesses erzeugt werden. Somit kann eine Pulswiederholrate f_rep oder Impulsfolgefrequenz des optischen Ausgangssignals 11 zeitlich moduliert werden.
• Insbesondere kann die Impulsfolgefrequenz f_rep in Abhängigkeit von einem Durchmesser des optischen Ringresonators 40 und/oder dem Kopplungsabstand 43 beziehungsweise einem Kopplungsverhältnis zwischen optischem Kopplungselement 42 und dem optischen Ringresonator 40 moduliert werden.
• Des Weiteren ist ein zum Kopplungselement 42 unterschiedliches weiteres optisches Kopplungselement 44 vorgesehen. Dieses dient insbesondere zum Auskoppeln des erzeugten optischen Signals 41 aus dem Ringresonator 40. Das weitere Kopplungselement 44 ist unmittelbar benachbart zu einer zur ersten Seite des Ringresonators 40gegenüberliegenden zweiten Seite angeordnet. Somit ist zwischen den beiden Kopplungselementen 42, 44 der Ringresonator 40 angeordnet. Beide Kopplungselemente 42, 44 sind zum einen zueinander beabstandet angeordnet und ebenfalls jeweils beabstandet zu dem Ringresonator 40. Somit berühren sich die Kopplungselemente 42, 44 und der Ringresonator 40 untereinander nicht.
• Insbesondere dient das weitere Kopplungselement 44 dazu, welches ebenfalls wie das Kopplungselement 42 als linearer Wellenleiter ausgebildet sein kann, der Transformationseinrichtung 14 das optische Ausgangssignal 41 bereitzustellen.
• In anderen Worten ausgedrückt, kann mittels des Ringresonators 40 als optisches Ausgangssignal 42 ein Pulszug mit Pulswiederholfrequenz im Mikrowellenbereich erzeugt werden.
• Mithilfe der Transformationseinrichtung 14 kann ein elektrisches Signal 15, insbesondere eine elektromagnetische Strahlung, im Mikrowellenfrequenzbereich abhängig vom optischen Ausgangssignal 41 erzeugt werden. Für das Umwandeln eines optischen in ein elektrisches Signal kann die Transformationseinrichtung 14 eine optische Photodiode 16 aufweisen. Diese kann unmittelbar mit dem weiteren Kopplungselement 44 verbunden sein. Mithilfe der optischen Photodiode 16 kann das elektrische Signal 15 abhängig vom optischen Ausgangssignal 41 erzeugt werden. Des Weiteren kann die Transformationseinrichtung 14 eine Verstärkereinheit 17 aufweisen. Mithilfe der Verstärkereinheit 17, welche entweder einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein kann, kann eine Frequenz des umgewandelten elektrischen Signals 15 erhöht werden. Somit kann die Verstärkereinheit 17 als Frequenz-Vervielfacher-Einheit bezeichnet werden. Hierzu kann beispielsweise die Frequenz des umgewandelten Signals 15 an eine Trägerfrequenz angepasst werden. Somit kann hier eine Frequenzerhöhung durchgeführt werden. Für die Umwandlung des optischen Übertragungssignals in das elektrische Signal 15 und beispielsweise die Frequenzerhöhung kann mittels einer Kontrolleinheit 18, welche beispielsweise als TIA bezeichnet werden kann, erfolgen. Die Verstärkereinheit 17 als auch die Kontrolleinheit 18 können Bestandteil der Transformationseinrichtung 14 sein.
• Insbesondere kann die Quantenbit-Einheit 4 als übergeordnete Einheit beziehungsweise System des zumindest einen Quantenbits 5 verstanden werden. Insbesondere kann die Quantenbit-Einheit 4 das zumindest eine Quantenbit 5 aufweisen beziehungsweise aufnehmen.
• Beispielsweise kann mithilfe der Photodiode 16 eine Detektion des optischen Ausgangssignals 41 vorgenommen werden. Hierzu kann gegebenenfalls eine Heterodyndetektion durchgeführt werden. Anschließend an die Photodiode 16 können wiederum elektronische Frequenzvervielfacher-Einheiten vorgesehen sein. Um nun das umgewandelte elektrische Signal 15 in das zumindest eine Quantenbit 5 einkoppeln beziehungsweise übertragen zu können, weist der integrierte Schaltkreis 1 eine Kopplungseinrichtung 19 auf. Die Kopplungseinrichtung 19 kann beispielsweise eine Zirkulatoreinheit 20 beziehungsweise einen Zirkulator und einen elektrischen Wellenleiter 21 aufweisen. Somit kann das elektrische Signal 15 nach der Umwandlung und/oder Frequenzvervielfachung in die Quantenbit-Einheit 4 und somit in das Quantenbit 5 beispielsweise eingekoppelt werden.
• Des Weiteren ist die Kopplungseinrichtung 19 optional dazu ausgebildet, um neben der Einkopplung in die Quantenbit-Einheit 4 auch Signale aus dem Quantenbit 5 beziehungsweise aus der Quantenbit-Einheit 4 auszukoppeln. Dieses Auskoppeln wird dazu verwendet, um die Kontrolle, Messung beziehungsweise Präparation bezüglich des Quantenbits 5 und dessen Zustand vornehmen zu können. Hierzu kann ein elektrisches Kontrollsignal 22 ausgekoppelt werden. Hierzu kann mithilfe der Zirkulatoreinheit 20 entsprechend einer vorgegebenen Zirkulationsrichtung 23 zum einen das elektrische Signal 15 über den elektrischen Wellenleiter 21 in die Quantenbit-Einheit 4 eingekoppelt werden. Des Weiteren kann wiederum das elektrische Kontrollsignal 22, welches auf dem elektrischen Signal 15 basiert, aus der Quantenbit-Einheit 4 ausgeleitet beziehungsweise ausgekoppelt werden. Hierzu kann das elektrische Kontrollsignal 22 einen elektrischen Ausgang 24 des integrierten Schaltkreises 1 zur Verfügung gestellt beziehungsweise bereitgestellt werden.
• Bei dem elektrischen Ausgang 24 kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Anschluss beziehungsweise einen elektrischen Port handeln, um das elektrische Kontrollsignal 22 anderen elektronischen Einheiten in dem Quantencomputer 2 oder außerhalb des Quantencomputers 2 zur Verfügung zu stellen. Hierzu kann es sich beispielsweise bei dem elektrischen Ausgang 24 um eine elektronische Messeinheit beziehungsweise elektronische Kontrolleinheit beziehungsweise um eine elektronische Präparationseinheit hinsichtlich des zumindest einen Quantenbits 5 handeln.
• Mithilfe des elektrischen Wellenleiters 21 kann eine Verbindung zwischen der Zirkulatoreinheit 20 und der Quantenbit-Einheit 4 hergestellt werden. Bei dem elektrischen Wellenleiter 21 kann es sich beispielsweise um eine Schleifenleitung wie beispielsweise eine Koplanarleitung handeln.
• Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der integrierte Schaltkreis 1 als Ein-Chip-System ausgebildet sein. Somit können alle relevanten Bauelemente für die Erzeugung und Weiterleitung des elektrischen Signals 15 und die Elemente für die Weiterleitung beziehungsweise Auskopplung des elektrischen Kontrollsignals 22 auf ein und demselben Chip wie die Quantenbiteinheit 4 und somit dem Quantenbit 5 integriert sein.
• Wie bereits vorhin erwähnt, kann der integrierte Schaltkreis 1 mehrere Quantenbit-Einheiten 6 und weitere Quantenbits 7 aufweisen. Die soeben geschilderten Ausführungen bezüglich der Signalverarbeitung, Weiterleitung, Umwandlung et cetera und die damit verbundenen Bauteile sind dieselben.
• In der 2 ist, wie bereits erwähnt, eine schematische Darstellung des Quantencomputers 2 dargestellt.
• In der 3 ist, wie bereits erwähnt, eine schematische Blockdarstellung der zentralen elektronischen Recheneinrichtung 10 dargestellt. Beispielsweise kann die Recheneinrichtung 10 neben der optischen Faser 12 weitere optische Fasern aufweisen, welche über einen optischen Verteileinheit 39 beziehungsweise einem Verteiler mit dem Übertragungssignal 9 versorgt werden können, um wiederum die mehreren optischen Eingänge 13 des integrierten Schaltkreises 1 mit optischen Signalen versorgen zu können. Die optische Verteileinheit 39 kann beispielsweise als „Optical Switch“ ausgebildet sein. Des Weiteren kann beispielsweise zwischen der Lasereinrichtung 11 und der optischen Verteilereinheit 39 ein optisches Kontrollelement 25 vorgesehen sein. Dieses dient dazu, die optischen Eigenschaften beziehungsweise die Eigenschaften des optischen Übertragungssignals 9 anpassen zu können. Dabei kann beispielsweise eine Polarisation, eine Phase, ein Chirp des optischen Übertragungssignals 9 angepasst beziehungsweise verändert werden. Wie bereits vorhin erwähnt, kann das elektrische Steuersignal für das Steuern der Lasereinrichtung 11 über eine Auswerteeinheit 26 und ein Kontroll-Interface 27 der Lasereinrichtung 11 zur Verfügung gestellt beziehungsweise übermittelt werden.
• Des Weiteren kann die Recheneinrichtung 10 einen elektrischen Eingang 28 aufweisen, an welchem beispielsweise das elektrische Kontrollsignal 22 der Recheneinrichtung 10 zur Verfügung gestellt beziehungsweise übermittelt werden kann. Im Anschluss zu diesem elektrischen Eingang 28 kann ein Analog-Digital-Konverter 29 angeordnet sein. Bei diesem handelt es sich insbesondere um einen ADC, welcher als digitales Interface zur Umwandlung des elektrischen Kontrollsignals 22 in ein digitales Signal, insbesondere für die Auswerteeinheit 26, dient. Optional kann das digitalisierte elektrische Kontrollsignal 22 mit einer Signalverarbeitungseinheit 30 aufbereitet werden. Die Signalverarbeitungseinheit 30 kann beispielsweise eine Low-Level-Signal-Processing-Unit (beispielsweise FFT) aufweisen.
• Mittels der Recheneichrichtung 10 kann ein optischer Träger, also das Übertragungssignal 9, erzeugt werden. Per optischer Faser kann dieses Signal an einen Prozessor, insbesondere einer der Quantenbit-Einheiten 4, 6, gesendet werden. Auf diesen Prozessor kann eine GHz-Pulssynthese stattfinden, so dass die Mikrowellenstrahlung auf dem Prozessorhalbleiterchip, also dem integrierten Schaltkreis 1, erzeugt wird und an das zumindest eine Quantenbit 5, 7 geleitet werden kann.
• Ebenfalls denkbar ist, dass die Recheneinrichtung 10 einen AWG 45 („Arbitraty Waveform Generator“) oder einen speziellen Pulslaser enthält. Mit diesem kann ein spezieller Pulszug erzeugt werden. Der AWG 45 kann dafür sorgen, dass auf den Ringresonator 40 verzichtet werden kann, da der AWG 45 einen Pulszug auf einen Laser modulieren kann. Bei Verwendung eines Pulslasers kann der Pulszug direkt erzeugt werden. Dieser Pulszug kann dann per Faser an die Transformationseinrichtung 14 gesendet werden.
• Des Weiteren kann die Recheneinrichtung 10 eine Rückkopplungsschleife 46 aufweisen. Diese kann abhängig von einem zurückgesendeten optischen Signal des Schaltkreises 1 die Bereitstellung beziehungsweise Erzeugung des optischen Übertragungssignals 9 kontrollieren.
• Des Weiteren kann die Recheneinrichtung 10 einen elektrischen Ausgang 47, zum Bereitstellen von beispielsweise Informationen der Auswerteeinheit 26, aufweisen.
• In der 4 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel bezüglich des integrierten Schaltkreises 1 aus den vorherigen Fig. dargestellt. Hierbei kann zusätzlich der integrierte Schaltkreis 1, insbesondere pro Quantenbit-Einheit, einen optischen Rückkanal 31 aufweisen. Dementsprechend kann ein optisches Signal über den Rückkanal 31 wiederum dem optischen Eingang 13 und vor allem dem Kopplungselement 42 zurückgeführt beziehungsweise zugeführt werden. Hierzu kann wiederum das elektrische Kontrollsignal 22 in ein optisches Kontrollsignal 32 gewandelt werden. Hierzu ist beispielsweise eine Modulationseinrichtung 33, insbesondere ein optischer Modulator, vorgesehen. Hierzu kann beispielsweise das elektrische Kontrollsignal 22 über den elektrischen Ausgang 24 der Modulationseinrichtung 33 zur Verfügung gestellt werden. Hierzu kann zwischen dem elektrischen Ausgang 24 und der optischen Modulationseinrichtung 33 eine Vorverarbeitung 34 vorgenommen werden, um das Signal entsprechend aufzubereiten. Hierzu kann beispielsweise ein Basisband des Signals verarbeitet beziehungsweise aufbereitet werden. Neben der Rückführung des optischen Kontrollsignals 32 kann dieses über einen optischen Ausgang 35 des integrierten Schaltkreises 1 der zentralen elektronischen Recheneinrichtung 10 zur Verfügung gestellt beziehungsweise übertragen werden. Hierzu kann wiederum die Recheneinrichtung 10 beispielsweise einen optischen Eingang 36 aufweisen (vergleiche 3). Hierzu ist ebenfalls nun denkbar, dass neben der Auswertung des elektrischen Kontrollsignals 22 auch eine optische Möglichkeit besteht. Somit kann das optische Kontrollsignal 32 einer Detektionseinheit 37 (vergl. 2) zur Verfügung gestellt werden. Bei dieser Detektionseinheit 37 kann es sich beispielsweise um eine optische Detektionseinheit, eine Homodyn-Detektionseinheit oder eine Heterodyn-Detektionseinheit handeln. Somit erfolgt hier die Umwandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal. Im Ausgang dieser Detektionseinheit 37 kann wiederum der Analog-Digital-Konverter 29 für das Umwandeln des elektrischen in ein digitales Signal angeschlossen sein. Des Weiteren denkbar ist, dass das optische Kontrollsignal 32 über eine Modulationseinheit 38 der Lasereinrichtung 11 und/oder der Rückkopplungsschleife 46 zur Verfügung gestellt wird, sodass hier dieser Rückfluss beziehungsweise eine Rückkopplung vorgenommen werden kann, um beispielsweise das optische Übertragungssignal 9 präziser und besser erzeugen zu können.
• Beispielsweise kann zwischen dem Kopplungselement 44 und der Photodiode 16 eine Kontrolleinheit 48 vorgesehen sein. Diese kann zur Filterung einer Wellenlänge, zur Kontrolle einer Polarisation, zur Amplitudenkontrolle, zur Verstärkung und/oder zur Phasenmodulation des optischen Ausgangssignals 41 verwendet werden.
• Speziell kann der Rückkanal 31 einen Verbindungszweig 49 aufweisen, mit welcher der Rückkanal 31 zusätzlich mit der Kontrolleinheit 48 verbunden sein kann.
• In einem möglichen Ausführungsbeispiel ist ebenfalls denkbar, dass die zentrale elektronische Recheneinrichtung 10 und der integrierte Schaltkreis 1 auf ein und demselben Chip integriert sind. Beispielsweise findet auf der zentralen elektronischen Recheneinrichtung 10 eine Signaldetektion des elektrischen Kontrollsignals 22 beziehungsweise des optischen Kontrollsignals 32 statt. Hierzu kann beispielsweise ein parametrisches „JOSEPHSON-Converter“-Verfahren oder ein „HEMT“-Verfahren verwendet werden.
• In der 5 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel bezüglich des integrierten Schaltkreises 1 aus den vorherigen Fig. dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel kann zusätzlich ein RF-Treiber („radio frequency“) 50 und ein optischer Modulator 51 vorgesehen beziehungsweise implementiert werden. Das erzeugte Ausgangssignal 41 kann von der Photodiode 16 detektiert werden. Der Photostrom ist speziell proportional zu f_rep und kann als Treibersignal an einen Leistungsverstärker 52 übergeben werden, welcher dieses Signal über das Quantenbit 5 emittiert. Hierzu kann eine Verbindung 53 vorgesehen sein. Das optische Kontrollsignal 32 kann mittels des Modulators 51 auf das ursprüngliche Übertragungssignal 9 gemischt und an die Recheneinrichtung 10 zur Datenverarbeitung übertragen werden.
• Insbesondere zeigt die 5 eine Möglichkeit zur Signalerzeugung für die Quantenbit-Prozessierung.
• In der 6 ist ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel bezüglich des integrierten Schaltkreises 1 aus den vorherigen Fig. dargestellt. Hierbei kann zusätzlich ein zum optischen Ringresonator 40 unterschiedlichen weiteren optischen Ringresonator 54 beziehungsweise Ringresonator-Anordnung, welcher dazu ausgebildet ist, das optische Übertragungssignal 9 in den weiteren optischen Ringresonator 54 einzukoppeln und ein zum optischen Ausgangssignal 41 unterschiedliches weiteres optisches Ausgangssignal 57 in Abhängigkeit von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal 9 zu modulieren, wobei die beiden optischen Ausgangssignale 41, 57 unterschiedliche Impulsfolgefrequenzen f_rep1, f_rep2 aufweisen.
• Hie kann ebenfalls ein Kopplungselement 58, zum Einkoppeln des Übertragungssignals 9 in den Ringresonator 54 und ein weiteres Kopplungselement 59 zum Auskoppeln des Ausgangssignals 57 vorgesehen sein. Die Kopplungselemente 58, 59 sind analog zu den Kopplungselement 42, 44 ausgebildet.
• Der Ringresonator 54 kann optional aus einer Anordnung zweier Ringresonatoren 55, 56 ausgebildet sein. Dabei kann der Ringresonator 55 einen größeren Durchmesser wie der Ringresonator 56 aufweisen. Um gegebenenfalls GHz-Pulse (oder andere Frequenzen, je nach Qubit) des Quantencomputers 2 zu synthetisieren, können zwei Frequenzkämme 60, 61 (vergl. 7) mit unterschiedlicher Pulswiederholrate verwendet werden. Der Frequenzkamm 60 basiert auf dem Ausgangssignal 41 und der Frequenzkamm 61 basiert auf dem Ausgangssignal 57. Dazu können die Durchmesser der Ringresonatoren 40, 54 unterschiedlich ausgelegt werden, so dass die Frequenzkämme 60, 61 zueinander leicht spektral verschoben sind. Alternativ können Frequenzfilter oder andere Frequenzmodulatoren verwendet werden. Mittels einer Detektoreinheit 62 kann durch eine Heterodyn-Detektion eine Überlagerung der beiden Frequenzkämme 60, 61 wiederum eine Differenzfrequenz f_D (vergleiche 9) gemessen werden. Eine Folge der Differenzfrequenzen beider Kämme 60, 61 liefert somit die einzelnen Frequenzen.
• Beispielsweise kann die optische Pulssynthese mittels der zwei verstimmten Frequenzkämme 60, 61 und zweier dispersiven Elementen 63, 64 erfolgen. Bei den dispersiven Elementen 63, 64 kann sich um Prismen oder anderen zerstreuenden Elementen handeln. Mittels des Elements 63 kann ein Spektrum des Ausgangssignals 41 und mittels des Elements 64 kann ein Spektrum des Ausgangssignals 57 verändert oder angepasst werden. Optional erfolgt mittels der Elemente 63, 64 eine Dispersion, so dass jeweils ein Frequenzchirp, also ein zeitlich veränderbares Signal, auf die Einzelpulse, also die Ausgangssignale 41, 57, aufgeprägt werden kann. Diese Signale können per Heterodyn-Detektor gemessen werden. Hierzu können Elemente, wie Strahlenteiler („beam splitter“) 65 und/oder reflektierende Elemente 66, verwendet werden.
• Nach der Heterodyn-Detektion kann abhängig von den resultierenden Frequenzen eine Pulsform im GHz-Spektralbereich, also ein weiteres elektrische Signal 67, gebildet werden. Dieses kann zur Kontrolle, Messung und Präparierung von Quantenbits verwendet werden.
• Beispielsweise kann es sich bei dem elektrischen Signal 67 um das elektrische Signal 15 handeln.
• Um gegebenenfalls GHz-Pulse (oder andere Frequenzen, je nach Qubit) des Quantencomputers 2 zu synthetisieren, können zwei Frequenzkämme 60, 61 (vergl. 7) mit unterschiedlicher Pulswiederholrate verwendet werden. Der Frequenzkamm 60 basiert auf dem Ausgangssignal 41 und der Frequenzkamm 61 basiert auf dem Ausgangssignal 57. Dazu können die Durchmesser der Ringresonatoren 40, 54 unterschiedlich ausgelegt werden, so dass die Frequenzkämme 60, 61 zueinander leicht spektral verschoben sind. Alternativ können Frequenzfilter oder andere Frequenzmodulatoren verwendet werden. Durch eine Heterodyn-Detektion der Überlagerung der beiden Frequenzkämme 60, 61 kann wiederum eine Differenzfrequenz f_D (vergleiche 9) gemessen werden. Eine Folge der Differenzfrequenzen beider Kämme 60, 61 liefert somit die einzelnen Frequenzen.
• In der 7 sind beispielsweise die zwei unterschiedlichen Frequenzkämme 60, 61 in einem Frequenz (f) - Intensität (I) - Diagramm dargestellt. Beispielsweise kann die Pulswiederholrate von Kamm 60 auf f_rep1 = 6 GHz oder in einem anderen Spektralbereich ausgelegt werden, während die Pulswiederholrate von Kamm B auf f_rep2 = 0,1GHz ausgelegt werden kann. Beide Frequenzkämme 60, 61 werden speziell vom selben CW-Laser, also der Lasereinrichtung 11gepumpt, stehen also in korrelierter Phasenbeziehung zueinander und weisen die gleiche Trägerfrequenz auf. Somit ergeben sich in der Heterodyn-Detektion die Differenzfrequenzen von: $${\text{f}}_{D_n}=6\text{ GHz}-\text{n}\cdot \mathrm{0,1}\text{GHz mit n}\in \mathbb{N}.$$

  
• Ist die spektrale Bandbreite von Kamm 61 hinreichend groß, so kann ein großer Spektralbereich in Schritten von 0,1 GHz oder in geringeren Schritten synthetisiert werden. so dass eine beliebige Mikrowellenpulsform synthetisiert werden kann. Durch Verwendung mehrerer Frequenzkämme kann die Synthese weiter verfeinert werden.
• Alternativ kann statt des Kamms 60 auch eine einzelne Frequenz verwendet werden. Durch zeitliche Adjustierung der Teilfrequenzen kann somit ein Mikrowellenpuls synthetisiert werden.
• In der 8 ist eine beispielhaftes Diagramm bezüglich einer großen Verstimmung beziehungsweise Differenzierung der beiden Frequenzkämme 60, 61 ausgehen von der 7 dargestellt.
• In der 9 ist beispielhaft eine Darstellung der Differenzfrequenz f_D in einem Zeit (t) - Mikorwellen-Puls-Amplituden (µwave) - Diagramm gezeigt. Hierbei kann ein synthetisierter Mikrowellenrechteckpuls zur Manipulation von Quantenbits vorliegen. Weitere Pulsformen sind denkbar.
• Bezugszeichenliste

1

integrierter Schaltkreis

2

Quantencomputer

3

weitere integrierte Schaltkreise

4

Quanten-Einheit

5

Quantenbit

6

weitere Quantenbit-Einheit

7

weiteres Quantenbit

8

Übertragungsleitung

9

optisches Übertragungssignal

10

zentrale elektronische Recheneinrichtung

11

Lasereinrichtung

12

Glasfaser

13

optischer Eingang

14

Transformationseinrichtung

15

elektrisches Signal

16

Photodiode

17

Verstärkereinheit

18

Kontrolleinheit

19

Kopplungseinrichtung

20

Zirkulatoreinheit

21

elektrischer Wellenleiter

22

elektrisches Kontrollsignal

23

Zirkulationsrichtung

24

elektrischer Ausgang

25

optisches Kontrollelement

26

Auswerteeinheit

27

Kontroll-Interface

28

elektrischer Eingang

29

Analog-Digital-Konverter

30

Signalverarbeitungseinheit

31

optischer Rückkanal

32

optisches Kontrollsignal

33

Modulationseinrichtung

34

Vorverarbeitung

35

optischer Ausgang

36

optischer Eingang

37

Detektionseinheit

38

Modulationseinheit

39

optische Verteileinheit

40

Ringresonator

41

optisches Ausgangssignal

42

Kopplungselement

43

Kopplungsabstand

44

weiteres Kopplungselement

45

AWG

46

Rückkopplungsschleife

47

elektrischer Ausgang

48

Kontrolleinheit

49

Verbindungszweig

50

RF-Treiber

51

optischer Modulator

52

Leistungsverstärker

53

Verbindung

54

weiterer Ringresonator

55, 56

Ringresonator

57

weiteres optisches Ausgangssignal

58

Kopplungselement

59

weiteres Kopplungselement

60, 61

Frequenzkämme

61

Detektoreinheit

63, 64

dispersive Elemente

65

Strahlenteiler

66

reflektierendes Element

67

weiteres elektrisches Signal

freq

Impulsfolgefrequenz

freq1, freq2

Impulsfolgefrequenzen

fD

Differenzfrequenz

• 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 2018/0081255 A1 [0004]
• US 2021/0174235 A1 [0005]

Claims (10)

1. Integrierter Schaltkreis (1) für einen Quantencomputer (2), aufweisend: - einen optischen Eingang (13), welcher zum Empfangen eines optischen Übertragungssignals (9) ausgebildet ist, - einen optischen Ringresonator (40) der dazu ausgebildet ist, das optische Übertragungssignal (9) in den optischen Ringresonator (40) einzukoppeln und ein optisches Ausgangssignal (41) in Abhängigkeit von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal (9) zu modulieren, - eine Transformationseinrichtung (14), welche zum Erzeugen eines elektrischen Signals (15) abhängig vom dem optischen Ausgangssignal (41) ausgebildet ist, - eine Kopplungseinrichtung (19), welche zum Einkoppeln des elektrischen Signals (15) in eine Quantenbit-Einheit (4, 6), welche zumindest ein Quantenbit (5, 7) aufweist, und zum Auskoppeln eines elektrischen Kontrollsignals (22), welches auf dem elektrischen Signal (15) basiert, aus der Quantenbit-Einheit (4, 6) ausgebildet ist, und - einem elektrischen Ausgang (24), welcher zum Bereitstellen des elektrischen Kontrollsignals (22) ausgebildet ist.
2. Integrierter Schaltkreis (1) nach Anspruch 1, aufweisend: einen zum optischen Ringresonator (40) unterschiedlichen weiteren optischen Ringresonator (54), welcher dazu ausgebildet ist, das optische Übertragungssignal (9) in den weiteren optischen Ringresonator (54) einzukoppeln und ein zum optischen Ausgangssignal (41) unterschiedliches weiteres optisches Ausgangssignal (57) in Abhängigkeit von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal (9) zu modulieren, wobei die beiden optischen Ausgangssignale (41, 57) unterschiedliche Impulsfolgefrequenzen (f_req1, f_req2) aufweisen.
3. Integrierter Schaltkreis (1) nach Anspruch 2, wobei - die Transformationseinrichtung (14) eine Detektionseinheit (62) aufweist, wobei die Detektionseinheit (62) dazu eingerichtet ist, ein weiteres elektrisches Signal (67) abhängig von den beiden optischen Ausgangssignalen (41, 57) zu erzeugen, und - die Kopplungseinrichtung (19) ausgestaltet ist, das weitere elektrische Signal (67) in die Quantenbit-Einheit (4, 6), einzukoppeln.
4. Integrierter Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Kopplungseinrichtung (19) eine Zirkulatoreinheit (20) aufweist, wobei die Zirkulatoreinheit (20) dazu eingerichtet ist, das elektrische Signal (15) an die Quantenbit-Einheit (4, 6) und das elektrische Kontrollsignal (15) an den elektrischen Ausgang (24) entsprechend einer vorgegebenen Zirkulationsrichtung (23) weiterzuleiten, - die Kopplungseinrichtung (19) einen elektrischen Wellenleiter (21) ausweist, wobei die Zirkulatoreinheit (20) und die Quantenbit-Einheit (4, 6) mittels des elektrischen Wellenleiter (21) miteinander verbunden sind, wobei der elektrische Wellenleiter (21) dazu ausgestaltet ist, das elektrische Signal (15) in die Quantenbit-Einheit (4, 6) einzukoppeln und das elektrische Kontrollsignal (22) von der Quantenbit-Einheit (4, 6) an die Zirkulatoreinheit (20) zu übertragen.
5. Integrierter Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Transformationseinheit (14) eine optische Photodiode (16) zum Erzeugen des elektrischen Signals (15) abhängig von dem optischen Übertragungssignal (9) aufweist, und - die Transformationseinheit (14) zusätzlich eine Verstärkereinheit (17) aufweist, wobei die Verstärkereinheit (17) dazu ausgebildet ist, eine Frequenz des von der optischen Photodiode (16) erzeugten elektrischen Signals (15) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Trägerfrequenz zu erhöhen.
6. Integrierter Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: - eine Modulationseinrichtung (33), welche dazu eingerichtet ist, ein optisches Kontrollsignal (32) abhängig vom dem elektrischen Kontrollsignal (22) zu erzeugen, - einen optischen Ausgang (35) zum Bereitstellen des optischen Kontrollsignals (32), - einen optischen Rückkanal (31), welcher zwischen der Modulationseinrichtung (33) und dem optischen Eingang (13) angeordnet ist, wobei der optische Rückkanal (31) ausgestaltet ist, das optische Kontrollsignal (32) an den optischen Eingang (13) zurückzuführen.
7. Integrierter Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der integrierte Schaltkreis (1) als ein Ein-Chip-System ausgebildet ist.
8. Quantencomputer (2) mit zumindest einem integrierten Schaltkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 und einer zentralen elektronischen Recheneinrichtung (10), wobei - die zentrale elektronische Recheneinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, das optische Übertragungssignal (9) für den integrierten Schaltkreis (1) zu erzeugen und das elektrische Kontrollsignal (32) zu empfangen, - die zentral elektronische Recheneinrichtung (10) über zumindest eine Glasfaser (12) mit dem optischen Eingang (13) des integrierten Schaltkreis (1) gekoppelt ist.
9. Quantencomputer (2) nach Anspruch 8, wobei - die zentral elektronische Recheneinrichtung (10) eine Lasereinrichtung (11) zum Erzeugen des optischen Übertragungssignals (9) aufweist, - die Lasereinrichtung (11) eingerichtet ist, das optische Übertragungssignal (9) in die zumindest eine Glasfaser (12), welche mit dem optischen Eingang (13) des integrierten Schaltkreis (1) gekoppelt ist, einzukoppeln, und - die zentral elektronische Recheneinrichtung (10) ein optisches Kontrollelement (25) zum Anpassen einer optischen Eigenschaft des optischen Übertragungssignals (9) aufweist.
10. Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltkreises (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei - in Abhängigkeit von einem Evaneszenz-Feld, welches durch das optische Übertragungssignal (9) hervorgerufen wird, das optische Übertragungssignal (9) in den optischen Ringresonator (40) eingekoppelt wird, - mittels eines Vier-Wellen-Mischprozess das optische Ausgangssignal (41) in dem optischen Ringresonator (40) abhängig von dem eingekoppelten optischen Übertragungssignal (9) erzeugt wird, - ein Brechungsindex des optischen Ringresonator (40) durch das eingekoppelte optischen Übertragungssignals (9) moduliert wird, wodurch eine Impulsfolgefrequenz (f_rep) des optischen Ausgangssignals (9) moduliert wird, - das erzeugte elektrische Signal (15), welches auf dem modulierten optischen Ausgangssignal (41) basiert, in die Quantenbit-Einheit (4, 6) eingekoppelt wird, wodurch das zumindest eine Quantenbit (5, 7) manipuliert werde kann.

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