Die Erfindung bezieht sich auf einen quantentechnologischen Schaltkreis.

Mindestens eine der Schaltkreiskomponenten quantentechnologischer Schaltkreise besteht aus einem Qubit-Schaltkreis, der in unterschiedlichen Technologien realisiert sein kann, wie beispielsweise Quantenpunkttechnologien oder supraleitenden Quantentechnologien. In diesen Technologien ist es bekannt, zur Festlegung der Arbeitspunkte geeignete Quantenzustände der Qubit-Schaltkreise durch Anlegen eines entsprechenden Biassignals einzustellen. Ein solcher geeigneter Quantenzustand kann der Realisierung eines physikalischen Qubits dienen. Dieser Einstellvorgang (Tuning) wird herkömmlich manuell durchgeführt und ist aufgrund der großen Anzahl einzustellender Größen, die auch noch voneinander abhängen können, mit einem hohen Zeitaufwand verbunden.

Um den für das Tuning erforderlichen Zeitaufwand zu verringern sind in der Vergangenheit computerbasierte Verfahren vorgeschlagen worden, die zum Teil auch künstliche Intelligenz verwenden. Bei all diesen Verfahren werden die Quantenzustände des in der Regel in einem Kryostat angeordneten Qubit-Schaltkreises ausgelesen, die Auslesesignale werden einem außerhalb des Kryostats angeordneten externen Rechner übermittelt und dort zentral abgespeichert und verarbeitet. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass ihre hardwaretechnische Realisierung aufgrund der großen Anzahl an erforderlichen Datenleitungen von dem Qubit-Schaltkreis zu dem externen Rechner aufwendig ist und sie unter anderem aufgrund der zu verarbeitenden Datenmengen nicht skalierbar sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Arbeitspunkteinstellung zu erleichtern und insbesondere den hierfür erforderlichen Zeitaufwand zu verringern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der quantentechnologische Schaltkreis folgende einander lokal zugeordnete

Schaltkreiskomponenten aufweist: einen Qubit-Schaltkreis mit in Abhängigkeit von einem Biassignal einstellbaren Quantenzuständen; einen Biasschaltkreis zum Anlegen eines durch ein Eingangssignal des Biasschaltkreises kodierten Ausgangsbiassignals an den Qubit-Schaltkreis; einen in Kommunikationsverbindung mit dem Qubit-Schaltkreis stehenden Ausleseschaltkreis zum Auslesen des sich ansprechend auf das angelegte Ausgangsbiassignal einstellenden Quantenzustands und zur Ausgabe eines den ausgelesenen Quantenzustand kodierenden Auslesesignals; und einen mit dem Biasschaltkreis und dem Ausleseschaltkreis in Kommunikationsverbindung stehenden Einstellschaltkreis zur Ausführung eines iterativen Algorithmus, der beginnend mit einem Anfangswert iterativ Werte für das Eingangssignal an dem Biasschaltkreis anlegt und in Abhängigkeit von dem jeweils darauf ansprechend ausgegebenen Auslesesignal des Ausleseschaltkreises die Iteration fortsetzt, bis das ausgegebene Auslesesignal der Einstellung eines gewünschten Quantenzustands entspricht.

Bei dem erfindungsgemäßen quantentechnologischen Schaltkreis sind die zur Realisierung des gewünschten Quantenzustandes des Qubit-Schaltkreises verwendeten Komponenten einander lokal zugeordnet. Eine komplexe Verkabelung mit einem außerhalb eines Schaltungsträgers angeordneten Rechner entfällt somit. Jedem Qubit-Schaltkreis ist ein Einstellschaltkreis zur Einstellung des Arbeitspunktes lokal zugeordnet. Die den Zustand des Qubit-Schaltkreises beschreibenden Daten werden also lokal ausgewertet und die Eingangssignale an den Biasschaltkreis werden lokal festgesetzt. Diese Lösung ist somit skalierbar. Das Auslesen des Quantenzustands des Qubit-Schaltkreises, die Auswertung und das Setzen der Biassignale kann dabei durch hochintegrierte Elektronik stattfinden, die lokal einem Qubit oder einer Gruppe von Qubits, das/die mit Hilfe des Qubit-Schaltkreises realisierbar ist/sind, zugeordnet ist.

Die lokale Zuordnung der Schaltkreiskomponenten kann dadurch realisiert sein, dass sie an einem gemeinsamen einstückig ausgebildeten Schaltungsträger ausgebildet sind. Zweckmäßig können einzelne Schaltkreiskomponenten durch mindestens einen an dem Schaltungsträger vorgesehenen Interposer miteinander verbunden sein.

Der Qubit-Schaltkreis weist in Abhängigkeit von einem Biassignal einstellbare Quantenzustände auf. Ein geeigneter Quantenzustand kann der Realisierung eines physikalischen Qubits dienen.

Der Qubit-Schaltkreis kann in einem Beispiel einen einzigen Schaltkreis zur Erzeugung eines einzigen physikalischen Qubits aufweisen. Alternativ kann der Qubit-Schaltkreis auch einen einzigen Schaltkreis zur Erzeugung mehrerer physikalischer Qubits, beispielsweise zwei, drei oder mehr physikalischer Qubits aufweisen. Die physikalischen Qubits weisen physikalische Qubit-Zustände auf. Alternativ kann der Qubit-Schaltkreis eine Mehrzahl von Qubit-Schaltkreisen aufweisen, wobei jeder Qubit-Schaltkreis der Mehrzahl der Erzeugung eines oder mehrerer physikalischen/r Qubits dienen kann.

Der quantentechnologische Schaltkreis weist weiter einen Biasschaltkreis zum Anlegen eines durch ein Eingangssignal des Biasschaltkreises kodierten Ausgangsbiassignals an den Qubit-Schaltkreis auf. Durch das Biassignal kann also ein geeigneter Quantenzustand und damit der Arbeitspunkt des Qubit-Schaltkreises eingestellt werden. Bei dem Ausgangsbiassignal kann es sich beispielsweise um ein Spannungssignal oder um ein Stromsignal handeln. Weiter unten wird erläutert, wie das Eingangssignal des Biasschaltkreises iterativ festgelegt wird.

Außerdem weist der quantentechnologische Schaltkreis einen Ausleseschaltkreis auf, der mit dem Qubit-Schaltkreis in Kommunikationsverbindung steht. Der Ausleseschaltkreis dient dem Auslesen des sich ansprechend auf das angelegte Ausgangsbiassignal einstellenden Quantenzustands und zur Ausgabe eines den ausgelesenen Quantenzustand kodierenden Auslesesignals an den Einstellschaltkreis. Eine konkrete Realisierung eines solchen Ausleseschaltkreises wird weiter unten im Zusammenhang mit einem konkreten Beispiel eines Qubit-Schaltkreises erläutert. In einer Ausführungsform kann der Ausleseschaltkreis zudem zum Auslesen des physikalischen Qubit-Zustands geeignet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der quantentechnologische Schaltkreis in einer Ausführungsform einen Zustandsausleseschaltkreis zum Auslesen des physikalischen Qubit-Zustandes aufweisen.

Zur Einstellung des Arbeitspunktes weist der quantentechnologische Schaltkreis weiter einen Einstellschaltkreis auf. Die Arbeitspunkteinstellung erfolgt dadurch, dass der Einstellschaltkreis einen Anfangswert für das Eingangssignal an den Biasschaltkreis anlegt. Der Biasschaltkreis legt in Reaktion auf das Eingangssignal ein durch dieses kodiertes Ausgangsbiassignal an den Qubit-Schaltkreis an. Dadurch wird ein bestimmter Quantenzustand des Qubit-Schaltkreises eingestellt. Dieser Quantenzustand wird durch den Ausleseschaltkreis ausgelesen, in ein Auslesesignal kodiert und an den Einstellschaltkreis ausgegeben. In Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal legt der Einstellschaltkreis ein neues Eingangssignal an den Biasschaltkreis an. Diese Iteration wird so lange fortgeführt, bis der gewünschte Quantenzustand eingestellt ist. Der Arbeitspunkt ist dann eingestellt.

Bei den für die erfindungsgemäße Lösung verwendbaren Qubit-Schaltkreisen kann es sich insbesondere um bekannte Quantenpunktschaltkreise handeln, die als Ladungs-Qubits oder als Spin-Qubits, insbesondere STo-Spin-Qubits ausgebildet sein können. Diese Quantenpunktschaltkreise weisen Steuerelektroden auf (Gate-Elektroden), an die das Biassignal in Form von Spannungspegeln angelegt wird, durch deren Werte beispielsweise der Ladungszustand des Quantenpunktschaltkreises, d.h. die Anzahl der dort vorhandenen Elektronen und/oder deren Spin-Zustand eingestellt wird.

Vorzugsweise weist der Biasschaltkreis einen Vorspannungserzeugungsschaltkreis zur Erzeugung einer Vorspannung auf. Das Ausgangsbiassignal kann diese Vorspannung aufweisen. Vorzugsweise ist der das Biassignal erzeugende Biasschaltkreis als Digital- Analog-Wandler ausgebildet, dessen digitales Eingangssignal dessen analoges Ausgangsspannungssignal kodiert, das als Ausgangsbiassignal an den Qubit-Schaltkreis angelegt wird.

Ein weiteres Beispiel für einen Qubit-Schaltkreis sind supraleitende Quantenschaltkreise, insbesondere Transmon-Qubits, die ebenfalls durch ein elektrisches Biassignal einstellbar sind.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Ausleseschaltkreis unmittelbar benachbart zu dem Qubit-Schaltkreis angeordnet sein. „Unmittelbar benachbart“ bedeutet hierbei, dass keine andere Schaltkreiskomponente zwischen dem Qubit-Schaltkreis und dem Ausleseschaltkreis angeordnet ist. Das Auslesen des sich einstellenden Quantenzustands durch den Ausleseschaltkreis kann dann insbesondere dadurch erfolgen, dass die Einstellung des Quantenzustands in eine Kapazitätsänderung übersetzt wird (charge to capacitance), die dann mittels RF-Reflektometrie oder ladungsbasierter Kapazitätsmessung (charge-based capacitance measurement, CBCM) erfasst wird. Hierdurch werden von dem Ausleseschaltkreis sehr kleine Kapazitätsänderungen erfasst, die davon abhängen, ob das Tunneln eines Elektrons aufgrund des Zustands des Qubit-Schaltkreises (im Falle eines Spin-Qubits der Spin-Ausrichtung) quantenmechanisch verboten oder erlaubt ist. Dies wird in ein Auslesesignal kodiert, das einer logischen 0 oder einer 1 entspricht. Beispielsweise signalisiert 1 , dass das Tunneln möglich ist und 0, dass das Tunneln aufgrund der Pauli- Spin-Blockade quantenmechanisch verboten ist. Die von dem Ausleseschaltkreis ausgegebenen Auslesesignale 1 oder 0 kodieren somit den jeweils ausgelesenen Quantenzustand.

Alternativ kann das Auslesen des sich einstellenden Quantenzustands in einer Ausführungsform durch einen Ausleseschaltkreis erfolgen, der einen Ladungssensor, wie beispielsweise einen Quantenpunktkontakt (QPC)-Ladungssensor oder einen Ein- Elektronen-Transistor (single electron transistsor) oder einen sensing dot (SD) aufweist (siehe dazu z.B. C. Meyer, „Quantum Computing with Semiconductor Quantum Dots“, E. Kammerloher et al., „Sensing dot with high output swing for scalable baseband readout of spin qubits“, arXiv:2107.13598v1 ). Eine solche Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn der einzustellende Quantenzustand mit einem Ladungszustand in Zusammenhang steht oder in einen Ladungszustand übersetzbar ist. Auch ein einen Ladungssensor aufweisender Ausleseschaltkreis, und insbesondere der Ladungssensor selbst, ist bevorzugt unmittelbar benachbart zu dem Qubit-Schaltkreis angeordnet.

In einer eiteren Ausführungsform kann der Biasschaltkreis unmittelbar benachbart zu dem Qubit-Schaltkreis angeordnet sein. Auch hier bedeutet „unmittelbar benachbart“, dass keine weitere Schaltkreiskomponente zwischen dem Qubit-Schaltkreis und dem Biasschaltkreis angeordnet ist.

Der von dem iterativen Algorithmus des Einstellschaltkreises verwendete Anfangswert für das Eingangssignal an den Basisschaltkreis kann insbesondere ein durch Kenntnis der physikalischen Gegebenheiten des Qubit-Schaltkreises begründeter Wert sein. Insbesondere kann aufgrund der physikalischen Gegebenheiten des Qubit-Schaltkreises feststehen, innerhalb welcher Schranken das Biassignal für eine sinnvolle Betriebsweise liegen muss. Dann kann beispielsweise ein Wert in der Mitte zwischen diesen Schranken als Anfangswert gewählt werden. Vorzugsweise beruht der iterative Algorithmus auf einem Stabilitätsdiagramm, das beispielsweise die Anzahl der Elektronen im Quantenpunktschaltkreis in Abhängigkeit von den an dessen Steuerelektroden angelegten Spannungspegeln beschreibt.

Der quantentechnologische Schaltkreis kann optional einen Zustandssteuerschaltkreis aufweisen, der mit dem Qubit-Schaltkreis in Kommunikationsverbindung steht, und der in Abhängigkeit von einem Steuereingangssignal eine Manipulation der physikalischen Qubit- Zustände des Qubit-Schaltkreises bewirkt, und der quantentechnologische Schaltkreis kann optional einen Steuerschaltkreis aufweisen, der mit dem Zustandssteuerschaltkreis in Kommunikationsverbindung steht und der in Abhängigkeit von einem von außerhalb des Schaltkreises zugeführten Steuersignal entweder den Einstellbetrieb des Einstellschaltkreises startet oder in einen Normalbetriebsmodus geschaltet wird, in dem er an den Zustandssteuerschaltkreis Steuereingangssignale ausgibt. Dadurch können Qubit- Manipulationen durchgeführt werden, wie sie z.B. für Anwendungen im Bereich des Quantencomputings erforderlich sind. Der Einstellschaltkreis kann insbesondere als Bestandteil des Steuerschaltkreises ausgebildet sein. Alternativ kann der Steuerschaltkreis in einem Beispiel ein von dem Einstellschaltkreis getrennter Schaltkreis sein. Der Zustandssteuerschaltkreis und der Steuerschaltkreis sind in dieser Ausführungsform weitere Schaltkreiskomponenten des quantentechnologischen Schaltkreises.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann mindestens eine der Schaltkreiskomponenten programmgesteuert sein. Insbesondere kann in einer Ausführungsform die mindestens eine programmgesteuerte Schaltkreiskomponente einen Mikroprozessor aufweisen. Es kann beispielsweise der Qubit-Schaltkreis und/oder der Biasschaltkreis und/oder der Ausleseschaltkreis und/oder der Einstellschaltkreis und/oder der Zustandssteuerschaltkreis und/oder der Steuerschaltkreis programmgesteuert sein. In einer Ausführungsform kann mindestens eine der Schaltkreiskomponenten eine fest verdrahtete Schaltkreiskomponente sein. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann mindestens eine erste Schaltkreiskomponente programmgesteuert sein und mindestens eine zweite Schaltkreiskomponente kann eine fest verdrahtete Schaltkreiskomponente sein.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Einstellschaltkreis einen Turing- vollständigen Prozessor aufweisen. Der iterative Algorithmus kann dann auf dem Turing- vollständigen Prozessor ausgeführt werden. Alternativ kann der Algorithmus in einer Ausführungsform von einer auf den iterativen Algorithmus zugeschnittenen und fest verdrahteten Hardware ausgeführt werden, gemäß eines application specific integrated circuit (ASIC).

Für die Erzeugung von Quantenzuständen können tiefe Temperaturen erforderlich sein. Der quantentechnologische Schaltkreis wird dann vorzugsweise in einem Kryostat oder Ähnlichem angeordnet. In so einem Fall ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Schaltkreiskomponente des quantentechnologischen Schaltkreises eine kryogene Schaltkreiskomponente ist. Insbesondere ist der Qubit-Schaltkreis und/oder der Biasschaltkreis und/oder der Ausleseschaltkreis und/oder der Einstellschaltkreis und/oder Zustandssteuerschaltkreis und/oder der Steuerschaltkreis ein kryogener Schaltkreis. Dies ermöglicht eine zuverlässige Funktion der Schaltkreiskomponenten auch bei tiefen Temperaturen.

In einer Ausführungsform ist der quantentechnologische Schaltkreis mittels einem CMOS-Fertigungsverfahren hergestellt. Bei den Schaltkreiskomponenten kann es sich dann um CMOS-basierte Schaltkreiskomponenten, und insbesondere um CMOS-basierte kryogene Schaltkreiskomponenten handeln.

Die Schaltkreiskomponenten können insbesondere an einem gemeinsamen Schaltungsträger ausgebildet sein. Der Schaltungsträger kann insbesondere einstückig ausgebildet sein. Insbesondere kann der Schaltungsträger aus einem Halbleitersubstrat ausgebildet sein. Die Schaltkreiskomponenten können beispielsweise an, insbesondere unmittelbar an oder in dem Schaltungsträger ausgebildet sein.

In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen quantentechnologischen Schaltkreises.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen quantentechnologischen Schaltkreis 1. Der quantentechnologische Schaltkreis 1 weist einen Schaltungsträger 2 auf. An dem Schaltungsträger 2 sind mehrere Schaltkreiskomponenten, nämlich ein Qubit-Schaltkreis 3, ein Biasschaltkreis 4, ein Ausleseschaltkreis 5, ein Einstellschaltkreis 6, ein den Einstellschaltkreis 6 enthaltender Steuerschaltkreis 8 und ein Zustandssteuerschaltkreis 7 angeordnet. Die Schaltkreiskomponenten 4, 5, 6, 7, 8 können beispielsweise an, unmittelbar an oder in dem Schaltungsträger 2 ausgebildet sein. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist der Schaltungsträger 2 einstückig ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.

Der Qubit-Schaltkreis 3 weist in Abhängigkeit von einem Biassignal einstellbare Quantenzustände auf. Zur Festlegung der Arbeitspunkte des Qubit-Schaltkreises 3 sind geeignete Quantenzustände durch Anlegen eines entsprechenden Biassignals einzustellen. Ein solcher geeigneter Quantenzustand kann der Realisierung eines physikalischen Qubits dienen. Der Qubit-Schaltkreis 3 kann beispielsweise einen Quantenpunkt-Schaltkreis aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Qubit-Schaltkreis 3 einen supraleitenden Quantenschaltkreis aufweisen.

Der quantentechnologische Schaltkreis 1 weist weiter einen Biasschaltkreis 4 zum Anlegen eines durch ein Eingangssignal 10 des Biasschaltkreises 4 kodierten Ausgangsbiassignals 11 an den Qubit-Schaltkreis 3 auf.

Weiter steht der Qubit-Schaltkreis 3 mit dem Ausleseschaltkreis 5 in Kommunikationsverbindung. Der Ausleseschaltkreis 5 dient dem Auslesen des sich ansprechend auf das angelegte Ausgangsbiassignal 11 eingestellten Quantenzustands des Qubit-Schaltkreises 3 und zur Ausgabe eines den ausgelesenen Quantenzustand kodierenden Auslesesignals 13. Der Ausleseschaltkreis 5 weist dazu eine Auslesefunktion 12 auf.

Der Schaltungsträger 2 weist weiter als Schaltkreiskomponente einen mit dem Biasschaltkreis 4 und dem Ausleseschaltkreis 5 in Kommunikationsverbindung stehenden Einstellschaltkreis 6 zur Ausführung eines iterativen Algorithmus auf. Der iterative Algorithmus legt beginnend mit einem Anfangswert iterativ Werte für das Eingangssignal 10 an dem Biasschaltkreis 4 an. Der Biasschaltkreis 4 legt dann in Reaktion auf das Eingangssignal 10 ein das Eingangssignal 10 kodierendes Ausgangsbiassignal 11 an den Qubit-Schaltkreis 3 an. Dadurch wird ein Quantenzustand des Qubit-Schaltkreises 3 eingestellt. Der Quantenzustand wird von dem Ausleseschaltkreis 5 ausgelesen und als ein den ausgelesenen Quantenzustand kodierendes Auslesesignal 13 an den Einstellschaltkreis 6 ausgegeben. In Abhängigkeit von dem ausgegebenen Auslesesignal 13 des Ausleseschaltkreises 5 wird die Iteration nun fortgesetzt, bis das ausgegebene Auslesesignal 13 der Einstellung eines gewünschten Quantenzustands entspricht.

Der erfindungsgemäße quantentechnologische Schaltkreis 1 kann weiter, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, einen Zustandssteuerschaltkreis 7 aufweisen. Dieser Zustandssteuerschaltkreis 7 ist jedoch nicht für die Arbeitspunkteinstellung erforderlich und ist optional. Der Zustandssteuerschaltkreis 7 steht mit dem Qubit-Schaltkreis 3 in Kommunikationsverbindung und bewirkt in Abhängigkeit von einem Steuereingangssignal 14 eine Manipulation 15 der physikalischen Qubit-Zustände des Qubit-Schaltkreises 3.

Der Schaltungsträger 2 weist weiter einen Steuerschaltkreis 8 auf. Der Einstellschaltkreis 6 ist in der gezeigten Ausführungsform als Bestandteil des Steuerschaltkreises 8 ausgebildet. Alternativ kann der Einstellschaltkreis 6 getrennt von dem Steuerschaltkreis 8 ausgebildet sein. Der Steuerschaltkreis 8 steht mit dem Zustandssteuerschaltkreis 7 in Kommunikationsverbindung. Der Steuerschaltkreis 8 kann über eine Spannungsversorgungsleitung 20 mit einer außerhalb des Schaltungsträgers 2 angeordneten Spannungsversorgung (nicht dargestellt) verbunden sein. Dadurch können die Schaltkreiskomponenten des quantentechnologischen Schaltkreises 1 mit Spannung versorgt werden. Dem Steuerschaltkreis 8 kann von außerhalb des Schaltungsträgers 2 ein Steuersignal 21 zugeführt werden. In Abhängigkeit von dem Steuersignal 21 kann entweder der Einstellbetrieb des Einstellschaltkreises 6 gestartet werden oder es kann in einen Normalbetriebsmodus geschaltet werden, in dem der Steuerschaltkreis 8 an den Zustandssteuerschaltkreis 7 Steuereingangssignale 14 ausgibt. Die Form der Steuereingangssignale 14 kann von außen durch Kontrollsignale 22 vorgegeben werden. Die Steuereingangssignale 14 können eine von dem Zustandssteuerschaltkreis 7 bewirkte Manipulation 15 der physikalischen Qubit-Zustände des Qubit-Schaltkreises 3 bewirken. Damit können Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung verwirklicht werden.

Der Steuerschaltkreis 8 kann zudem eine Ausgabe aufweisen, mit der Ausgangssignale 23 von dem Schaltkreis 1 ausgegeben werden können. Diese Ausgangssignale 23 können beispielsweise den Quantenzustand des Qubit-Schaltkreises 3 und/oder einen physikalischen Qubit-Zustand kodieren. Die Ausgangssignale 23 können beispielsweise an einen außerhalb des Schaltungsträgers 2 angeordneten Rechner (nicht dargestellt) ausgegeben werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen quantentechnologischen Schaltkreises 1 ist der Ausleseschaltkreis 5 unmittelbar benachbart zu dem Qubit-Schaltkreis 3 angeordnet. Das heißt, es ist keine weitere Schaltkreiskomponente zwischen dem Qubit-Schaltkreis 3 und dem Ausleseschaltkreis 5 angeordnet. Außerdem ist der Biasschaltkreis 4 unmittelbar benachbart zu dem Qubit- Schaltkreis 3 angeordnet. Als eine konkrete Realisierung des in Fig. 1 gezeigten quantentechnologischen Schaltkreises 1 sei ein Beispiel genannt, bei dem der Qubit-Schaltkreis 3 einen Quantenpunktschaltkreis aufweist. Der Quantenpunktschaltkreis kann als Ladungs-Qubit oder als Spin-Qubit, insbesondere als ST ₀ -Spin-Qubit ausgebildet sein. Der Biasschaltkreis 4 kann vorzugsweise einen Vorspannungserzeugungsschaltkreis zur Erzeugung einer Vorspannung aufweisen. Vorzugsweise ist dieser Vorspannungserzeugungsschaltkreis als Digital-Analog-Wandler ausgebildet, dessen digitales Eingangssignal 10 dessen analoges Ausgangsspannungssignal (d.h., das Ausgangsbiassignal 11 ) kodiert. Der Quantenpunktschaltkreis weist Steuerelektroden (Gate-Elektroden) auf, an die das Ausgangsbiassignal 11 des Biasschaltkreises 4 angelegt wird. Dadurch können Quantenzustände des Quantenpunktschaltkreises als Ladungszustände (d.h. die Anzahl der dort vorhandenen Elektronen und/oder deren Spinzustände) eingestellt werden. Die Anzahl der Elektronen im Quantenpunkt kann hierbei zumeist über ein Plunger-Gate eingestellt werden; auch dieses kann mit einer Vorspannung angesteuert werden. Es ist hierdurch möglich, den Potentialtopf, Tunnelbarrieren zwischen Quantenpunkten und Qubits, sowie die Anzahl der Elektronen in jedem Quantenpunkt einzustellen.

Im Falle eines Quantenpunktschaltkreises kann das Auslesen des sich einstellenden Quantenzustandes insbesondere dadurch erfolgen, dass die Einstellung des Quantenzustands in eine Kapazitätsänderung übersetzt wird (charge to capacitance). Die Kapazitätsänderung kann dann mittels RF-Reflektometrie oder ladungsbasierter Kapazitätsmessung (charge-based capacitance measurement, CBCM) erfasst werden. Hierbei wird dann von dem Ausleseschaltkreis 5 eine sehr kleine Kapazitätsänderung erfasst, die davon abhängt, ob das Tunneln eines Elektrons aufgrund der Spin-Ausrichtung des Qubits möglich ist, oder aufgrund der Pauli-Spin-Blockade quantenmechanisch verboten ist. Dies wird in eine logische 0 oder eine logische 1 umgewandelt und von dem Ausleseschaltkreis 5 als Auslesesignal 13 an den Einstellschaltkreis 6 übergeben. Für die Übersetzung des Quantenzustands in eine Kapazitätsänderung ist es vorteilhaft, wenn der Ausleseschaltkreis 5, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, unmittelbar benachbart zum dem Qubit- Schaltkreis 3 angeordnet ist. Alternativ kann in einem Beispiel der Ausleseschaltkreis 5 einen Ladungssensor, z.B. einen Quantenpunkt-Ladungssensor oder einen Ein-Elektron- Transistor oder einen Sensing dot zum Auslesen des sich einstellenden Quantenzustands aufweisen.

Bei der erläuterten Ausführungsform kann mindestens eine der

Schaltkreiskomponenten programmgesteuert sein. Beispielsweise kann der Einstellschaltkreis 6 einen Turing-vollständigen Prozessor zur Ausführung des iterativen Algorithmus aufweisen. Alternativ kann der Einstellschaltkreis 6 beispielsweise eine speziell auf den iterativen Algorithmus zugeschnittene und fest verdrahtete Hardware aufweisen (im Sinne eines application specific integrated circuit (ASIC)).

Vorzugsweise werden der Qubit-Schaltkreis 3, der Biasschaltkreis 4 und der Ausleseschaltkreis 5 auf einem Chip realisiert. Der Chip wird dann an dem Schaltungsträger 2 angeordnet. Es ist vorteilhaft, wenn der Ausleseschaltkreis 5 und der Biasschaltkreis 4 möglichst nahe an dem Qubit-Schaltkreis 3 angeordnet sind. Da zwischen dem Ausleseschaltkreis 5 und dem Einstellschaltkreis 6 sowie dem Steuerschaltkreis 8 und dem Biasschaltkreis 4 digitale Signale übermittelt werden können, ist hier eine räumliche Nähe nicht so relevant.

Die zwischen den Schaltkreiskomponenten ausgetauschten Signale sind in Fig. 1 mit Pfeilen angezeigt (Bezugszeichen 10, 11 , 12, 13, 14), die auch die Richtung des Signalaustauschs angeben. Jedoch ist es auch möglich, dass weitere Signale zwischen den Schaltkreiskomponenten ausgetauscht werden, beispielsweise mit einem Kommunikationsprotokoll in Zusammenhang stehende Signale. Solche optionalen Signale sind in Fig. 1 mit gestrichelten Pfeilen dargestellt.

Liste der Bezugszeichen quantentechnologischer Schaltkreis

Schaltungsträger

Qubit-Schaltkreis

Biasschaltkreis

Ausleseschaltkreis

Einstellschaltkreis

Zustandssteuerschaltkreis

Steuerschaltkreis

Eingangssignal des Biasschaltkreises

Ausgangsbiassignal

Auslesefunktion des Ausleseschaltkreises

Auslesesignal

Steuereingangssignal

Qubit-Manipulation

Spannungsversorgung

Steuersignal

Kontrollsignal

Ausgangssignal