Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme
Skalierbare Optische Modulatoren für Atomare Quantencomputer (SMAQ)
Zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik arbeiten wir an einem gemeinsamen Projekt im Rahmen des »QNC Space« - dem Deep Tech Accelerator für Forschungsgruppen, Start-ups und KMU im Bereich Quanten- und neuromorphen Computing. Der QNC Space ist Teil der »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland – Module Quanten- und neuromorphes Computing« (FMD-QNC), einem gemeinsamen Vorhaben der 13 FMD-Institute, der vier Fraunhofer-Instituten ILT, IMWS, IOF und IPM, sowie dem Forschungszentrum Jülich und der AMO GmbH.
Quantencomputer, die auf geladenen oder neutralen atomaren Qubits basieren, bieten eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber alternativen Technologien, insbesondere eine intrinsisch hohe Qualität der Qubits und die damit erreichbaren exzellenten Kohärenzzeiten und Gattergüten.
Die Realisierung erfordert ein hohes Maß an Kontrolle über fokussierte Laserstrahlen und stellt eine der größten Herausforderungen in atomaren Quantencomputern dar. Zu den Vorrichtungen zur Erzeugung der fokussierten Laserstrahlen gehören Lasersysteme, Komponenten zur schnellen, skalierbaren und programmierbaren Modulation von Lichtintensität oder -phase, sowie hochauflösende Abbildungsoptiken zur Erzeugung nahezu beugungsbegrenzter Laserspots. Zur programmierbaren Modulation von Lichtintensität oder -phase werden sogenannte SLMs (Spatial Light Modulators; Flächenlichtmodulatoren) eingesetzt. Um skalierbare und effiziente Quantencomputing-Prozesse zu ermöglichen, müssen diese Komponenten auch für spezifische Wellenlängenbereiche geeignet sein.
Im Projekt SMAQ entwickeln wir gezielt phasenschiebende, diffraktive Senkspiegel-MEMS-SLMs für den Einsatz in Neutralatom-Quantencomputern. Die Technologie der MEMS-SLMs eröffnet dabei neue Dimensionen in Bezug auf Präzision und Skalierbarkeit. Dieses Projekt ist ein erster wichtiger Schritt auf einem sich abzeichnenden neuen Technologiepfad zur weiteren Skalierung von Neutralatom-Quantencomputern.
Vorteile
Aus der Verwendung der MEMS-Technologie ergibt sich eine Reihe von Vorteilen gegenüber den momentan für solche Anwendungsbereiche gewöhnlicherweise eingesetzten flüssigkristallbasierten Modulatoren, z.B.
- ein einzigartiger Zugang zum bisher unerschlossenen ultravioletten (UV) Spektralbereich. Das Projekt liefert hier außerdem einen skalierbaren Forschungsansatz. Die Wellenlängenreduktion ermöglicht dichtere atomare Qubit-Register.
- die Minimierung des Crosstalks / Übersprechens zwischen einzelnen Modulatorpixeln. Damit können aktuell bekannte Probleme der Auflösungsreduzierung bei konventionellen Modulatoren auf Basis von Flüssigkristallarrays vermieden werden.
- das hohe Geschwindigkeitspotential von MEMS-SLMs bis hin zum Megahertz-Bereich[5], welches die Möglichkeit der agilen Kontrolle einzelner Adressierstrahlen bietet und damit zugleich eine Perspektive für zukünftige Projektvorhaben eröffnet.
- das Potential eines weiteren, bislang unzugänglichen Freiheitsgrads der Kontrolle über die Polarisation.
Entwicklungsleistung des Fraunhofer IPMS im Projekt
Die Entwicklungsarbeiten umfassen die gesamte MEMS-SLM-Wertschöpfungskette:
- Realisierung der integrierten CMOS-Ansteuerschaltung (Backplane): Schaltungs-Design, Simulation und Prozessierung in der eigenen Pilot-Fertigungslinie
- Entwicklung des MMA bzw. der zugehörigen MEMS-Aktuator-Technologie: Aktuator-Design, Simulation des elektromechanischen Verhaltens, analytisch sowie mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) und Prozess-Entwicklung zur monolithischen Integration auf aktive Steuerschaltungen in CMOS-kompatibler Oberflächen-Mikromechanik)
- Chip-Packaging
- Elektrische, mechanische, optische und anwendungsbezogene Charakterisierung von CMOS und MEMS-Teil auf Wafer- und Chip-Level
- Externe Ansteuerungselektronik und Daten-Interface (Hardware und Software) für den MEMS-SLM Betrieb