Beim Quantencomputing sind Mikrowellentechnologien das Herzstück neuer Ansätze mit riesigem Potenzial. Ihr Nachteil ist, dass sie zu großen Engpässen bei der Skalierbarkeit der Systeme führen. Dieser Nebeneffekt kann aber umgangen werden: Wenn die Mikrowellen mit dem optischen Bereich im elektromagnetischen Spektrum verbunden werden, so dass beispielsweise die Kopplung von Quantencomputern in einem Cluster über optische Fasern erfolgt, erhöht sich die Gesamtperformance drastisch. Diese Vorgehensweise ist vergleichbar mit optischen MPI Technologien in klassischen Rechenclustern.

Die Miraex Plattform

Miraex ist ein Schweizer Startup aus Lausanne. Das Team entwickelt auf der eigenen Miraex-Plattform RF-photonische Geräte, über die Höchstleistung von Quantennetzwerken erreicht wird. Die Grundlage sind RF- und optische Schaltkreise im Nanobereich, die Licht in Strukturen leiten, in denen Photonen verschiedener Frequenzen miteinander interagieren.

So werden einzelne Photonensignale zwischen Mikrowellen und optischen Frequenzen umgewandelt. Ihr Betrieb erfordert ein hochgenaues Design, denn es geht darum, Schaltkreis- und Materialverluste mit der Kopplungsstärke in Einklang zu bringen.

Detailbetrachtung mit Ansys-Simulationen

Um das bereits sehr detaillierte Design, das in den ersten Prototypen umgesetzt wurde, weiter zu verfeinern, nutzt das Miraex-Team Simulationen – Tools von Ansys und Know-how von CADFEM: Ansys HFSS für den Entwurf und die Abbildung von Mikrowellenschaltungselementen, Ansys Lumerical für die Charakterisierung der entsprechenden Lichtwellenleiter. Der Abgleich der gewonnenen Daten führt zum optimalen Design.

Prozesse im Gleichgewicht

Um die maximale Leistung von Quantenverbindungen zu erreichen, müssen die Schaltungsverluste mit der Stärke der Wechselwirkung über die Länge des Bauelements ausgeglichen werden. So wurden mit Ansys Lumerical optische Wellenleitermoden modelliert und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit extrahiert, die ihrerseits exakt mit der in Ansys HFSS ermittelten Ausbreitungsgeschwindigkeit in den elektrischen Schaltkreisen übereinstimmen muss. Lumerical lieferte zudem Informationen zu optischen plasmonischen Verlusten.

Elektrostatische Simulationen in Ansys Maxwell zeigten anschließend die Überlagerung des elektrischen Feldes mit der optischen Mode und damit die Stärke der Wechselwirkung. Durch einen parametrischen Sweep über die Geometrie konnte ein geeignetes Gleichgewicht zwischen optischem Verlust und Wechselwirkungsstärke ermittelt werden.

Drastische Reduzierung von Komplexität und Zeitaufwand

Das domänenübergreifende Ergebnis, das durch die Konzentration auf einzelne Solver in parallelen Strängen erzielt wird, führt zu einer drastischen Reduzierung der Komplexität und der Aufbereitungszeit. 

Darüber hinaus erleichtern die umfangreichen Python-Scripting-Funktionen in den Ansys-Produkten die effiziente Nachbearbeitung und den Austausch von Daten.

Diese Optimierungen helfen, auf Anhieb das beste Design zu ermitteln, den Marktzugang zu beschleunigen und so durch neueste Quantentechnologien herausragende Voraussetzungen für Innovationen in Industrie und Forschung zu schaffen.