Forscher steuern erfolgreich fünf Silizium-Quantenbits gleichzeitig über eine einzige Mikrowellenkontrollleitung mit einer Genauigkeit von 99,9 %

Die Leistung von Quantencomputern hängt nicht nur von der Anzahl der enthaltenen Qubits ab, sondern auch davon, wie genau sie zusammenarbeiten können. Kürzlich haben Forscher eine Methode demonstriert, mit der fünf auf Silizium basierende Qubits gleichzeitig über eine einzige Mikrowellenkontrollleitung gesteuert werden, wobei die Genauigkeit der Operationen bei 99,9 % oder mehr bleibt. Diese Methode könnte dazu beitragen, zukünftige Quantenprozessoren einfacher zu skalieren, ohne für jedes Qubit separate Kontrollleitungen einrichten zu müssen. Allerdings ist die Steuerung mehrerer Qubits nicht so einfach, wie nur Mikrowellensignale zu senden. Quantencomputer müssen parallele Operationen durchführen, um Fehlerkorrekturroutinen auszuführen, die dazu beitragen, die empfindlichen Quanteninformationen zu schützen.

Allerdings können die Signale, die zur Steuerung eines Qubits verwendet werden, benachbarte Qubits stören, was deren Genauigkeit der Operationen verringert. In früheren Experimenten führte dieses Problem dazu, dass die Treue der Gatter – ein Maß für die Genauigkeit der Durchführung von Quantenoperationen – von 99,95 % auf etwa 99,5 % sank. Die Forscher wiesen darauf hin: „In Siliziumanordnungen bleibt die gleichzeitige Steuerung eine große Herausforderung, da die Treue bei parallelen Operationen typischerweise abnimmt.“

Herausforderungen bei der Steuerung mehrerer Qubits

Forscher von RIKEN in Japan und ihren Kooperationspartnern haben nun die Hauptquelle dieser Störungen identifiziert und eine Kompensationsmethode entwickelt. Diese verborgene Frequenzverschiebung führt dazu, dass die Qubits ihre korrekte Ausrichtung verlieren. Das Forschungsteam verwendete fünf Qubits, die aus Elektronenspin bestehen und in kleinen Strukturen, die als Quantenpunkte bezeichnet werden, gefangen sind und sich in Silizium/Silizium-Germanium-Anordnungen befinden. Die Forscher ergänzten: „Silizium-Spinqubits bieten besonders einen vielversprechenden Weg zur skalierbaren Quantenberechnung, da sie mit der industriellen Halbleiterfertigung kompatibel sind.“ Mikrowellensignale steuern diese Qubits, aber das Signal, das für ein Qubit gedacht ist, kann auch benachbarte Qubits beeinflussen.

Dieser unerwünschte Einfluss wird als Crosstalk bezeichnet, der selbst dann die Genauigkeit der Quantenoperationen verringern kann, wenn die benachbarten Qubits nicht das Ziel sind. Die Forscher haben herausgefunden, dass die Hauptquelle dieser Störungen das Phänomen der AC Stark-Verschiebung ist. Mikrowellensignale können die effektiven Energieniveaus benachbarter Qubits ändern und den Evolutionsprozess ihrer Quantenstate beeinflussen. Dies führt zu unerwünschten Phasenverschiebungen – zeitlichen Veränderungen der Wellen, die den Quantenstate beschreiben, was dazu führt, dass die erwarteten Operationen von der korrekten Richtung abweichen.

Das Forschungsteam stellte fest, dass diese Phasenverschiebungen vorhergesagt werden können, indem die Auswirkungen der einzelnen Qubits aufeinander gemessen werden. Sie nutzten diese Messungen, um unerwünschte Veränderungen während des gleichzeitigen Betriebs mehrerer Qubits zu kompensieren, wodurch die Notwendigkeit entfiel, jede mögliche Kombination einzeln zu kalibrieren. Der erste Autor der Studie, Wu Yihsien, erklärte: „Unsere Methode kompensiert unerwünschte Phasenverschiebungen durch die Kalibrierung zwischen den Qubits, ohne dass für jede mögliche Qubit-Kombination ein vollständig unabhängiges Kalibrierungsverfahren erforderlich ist.“ Die Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit dieser Methode. Bei separater Bedienung übersteigt die Gattertreue der fünf Qubits 99,99 %, wobei die beste Annäherung bei 99,999 % liegt.

Potenzial und Herausforderungen für zukünftige Erweiterungen

Wenn bis zu drei Qubits gleichzeitig betrieben werden, bleibt ihre Treue über 99,99 %. Selbst wenn fünf Qubits gleichzeitig betrieben werden, bleibt die Gattertreue bei 99,9 % oder mehr. Diese Genauigkeit erreicht den weit verbreiteten Standard für fehlertolerante Quantenberechnung, bei dem Fehlerkorrekturtechniken helfen, die Berechnungen vor Fehlern zu schützen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Forscher bereits einen vollständig fehlertoleranten Quantencomputer gebaut haben.

Die Verwendung gemeinsamer Mikrowellenleitungen kann die Anzahl der erforderlichen Steuerverbindungen für große Prozessoren reduzieren, Platz sparen und möglicherweise die durch die Steuerhardware erzeugte Wärme verringern. Die Forscher betrachten diese Methode als Grundlage für zukünftige Module, die etwa zehn Qubits enthalten könnten, obwohl diese größere Konfiguration weiterhin ein zukünftiges Ziel und kein bewiesenes Ergebnis darstellt. Es bestehen weiterhin andere Herausforderungen. Stärkere Mikrowellensignale können die Operationen beschleunigen, bringen jedoch auch unerwünschte Störungen mit sich, die die empfindlichen Quantenstate der Qubits beeinträchtigen. Das Team schlägt vor, kleine Magneten in die Verdrahtungsebene des Chips zu integrieren, um die zur Steuerung der Elektronenspin verwendeten kleinen Magneten zu verbessern.

Diese verbesserten Magneten können stärkere lokale Magnetfelder erzeugen, die potenziell schnellere Operationen bei niedrigerer Mikrowellenleistung ermöglichen. Derzeit löst dieser Erfolg ein Hindernis für die Skalierung von Silizium-Quantencomputern: die genaue Kontrolle während des Betriebs mehrerer Qubits. Bevor diese Methode auf größere Arrays ausgeweitet werden kann und andere Fehlerquellen kontrolliert werden können, wird es entscheidend sein. Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.