Monolithische super-/halbleitende Quantenschaltkreise

Quantencomputer, die für eine Vielzahl praktischer Probleme eingesetzt werden können, beruhen auf der Integration von tausenden von Qubits, der Grundeinheit der Quanteninformation. Die dafür notwendige Skalierung bringt Herausforderungen mit sich, da eine große Anzahl von Qubits isoliert werden muss, damit diese nicht mit ihrer Umgebung interagieren und dadurch die fragilen Eigenschaften der Verschränkung verlieren. Qubits basierend auf hybriden Supraleiter-Halbleiter-Heterostrukturen haben inhärente Vorteile. Eine der großen Herausforderungdieses Bauteiltyps bestehtaber darin, dieSchnittstelle und den Ladungsträgertransfer zwischen dem Supraleiter und dem Halbleiter zu verstehen und zu kontrollieren. Aluminium hat sich seit langem als ideale supraleitende Komponente erwiesen, während der Halbleiter Germanium zunehmend in den Mittelpunkt der Forschung rückt. Dieses Projekt zielt auf die Erforschung monolithischer Supraleiter-Halbleiter-Hybridstrukturen(Al-Ge) undderenIntegration in Quantenschaltkreise und neuartige Multiterminale Bauelemente. Da die charakteristische Länge aktueller hybrider Bauteile im Bereich weniger Nanometer liegt, gewinnt die Entwicklung konzeptionell neuer Bauelemente zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen dieses Projektes werden solche ultraskalige Al-Ge-Heterostrukturen unter Verwendung dünner Ge-Schichten auf Isolatorsubstraten durch Top-Down-Prozessierung im Wafermaßstab realisiert. Die eigentlichen monolithischen Supraleiter-Halbleiter-Hybridstrukturen werden durch einen thermisch induzierten Al/Ge-Substitutionsprozess hergestellt. Die Qualität der monokristallinen Al-Schichten und der Al-Ge-Grenzfläche sind die interessantesten Aspekte des selektiven Substitutionsprozesses, der die Ausbildung einer sauberen und atomar abrupten Grenzfläche gewährleistet, die nie mit der Umgebungsatmosphärein Berührunggekommenist. Die Reproduzierbarkeit desAl-Ge- Substitutionsprozesses gewährleistet weiters die Gleichförmigkeit der Quantenpunkte und die Homogenität der Übergänge selbst. Darüber hinaus werden hochtransparente Kontakte zwischen den supraleitenden Al- Kontakten und der Ge-Halbleiterbrücke mit nahezu einheitlicher Transmission erreicht. Die Funktionalität wirddurchdieErforschungder wesentlichenBauteile, nämlich Josephson-Übergangs- Feldeffekttransistoren, Andreev-Moleküle und eben multiterminale Josephson-Bauteile demonstriert werden. Freistehende Bauelemente werden insbesondere im Hinblick auf die oben erwähnten Isolationsprobleme untersucht. Insgesamt erweitern die vorgeschlagenen monolithischen Al-Ge-Al- Heterostruktur-Bauelemente den Werkzeugkasten der Quantentechnologie und eröffnen neue Wege zur Erforschung von Supraleiter-Halbleiter-Quantenschaltungenfür eineskalierbare Quanteninformationsverarbeitung.