Im Labor: Drei Silizium-Qubits gleichzeitig mit 99,99 % Genauigkeit

Auf einem Siliziumchip werden fünf Elektronenspins über eine einzige Mikrowellenleitung gesteuert, und jeder muss in den richtigen Zustand gebracht werden, ohne seine Nachbarn zu stören. Dieses Problem wollte das Center for Emergent Matter Science von RIKEN lösen. In einer in Nature Physics veröffentlichten Studie berichtet das Team, dass drei Qubits gleichzeitig laufen können, während die Gate-Treue über 99,99 % bleibt. Das Experiment nutzte eine Anordnung aus fünf Silizium-Qubits, die über eine gemeinsame Mikrowellenleitung angesteuert wurde.

Ein Qubit ist das Quantenpendant eines Bits: Es kann eine Kombination aus 0 und 1 speichern. Bei Silizium-Spin-Qubits steckt diese Information im Spin eines in Silizium eingefangenen Elektrons und wird durch Mikrowellenpulse verändert. Silizium hat einen praktischen Vorteil, denn das Verfahren ist mit der Halbleiterfertigung kompatibel, die für Computerchips ohnehin genutzt wird. Ihre bekannte Schwäche ist, dass die Genauigkeit in der Regel sinkt, wenn mehrere Qubits gleichzeitig angesteuert werden. Ein Quantencomputer, der viele Qubits nicht gemeinsam betreiben kann, bleibt eine kleine Maschine.

Das Team begann damit, die Hauptursache für diesen Rückgang einzugrenzen: den AC-Stark-Effekt, eine durch die Mikrowellensteuersignale hervorgerufene Wirkung. Er verändert die effektiven Energieniveaus eines Qubits und verschiebt die Phase seines Quantenzustands. Ihr Korrekturverfahren stützt sich auf Kalibrierungen zwischen Qubit-Paaren, um diese Phasenverschiebungen auszugleichen. Yi-Hsien Wu, der Erstautor, erklärte, dass die Methode eine eigene Kalibrierung für jede mögliche Kombination von Qubits überflüssig macht. Einzeln betriebene Qubits erreichten bei jedem der fünf Qubits Treuen deutlich über 99,99 %, die besten nahezu 99,999 %. Die Treue misst, wie genau eine Quantenoperation ausgeführt wird.

Mit dem Verfahren blieben die Treuen über 99,99 %, wenn bis zu drei Qubits gleichzeitig arbeiteten. Liefen alle fünf zusammen, lagen sie bei rund 99,9 %. Die Autoren beschreiben dieses Niveau als nahe an den praktischen Anforderungen des fehlertoleranten Quantencomputings. Der verbleibende Verlust geht auf treiberinduzierte Dekohärenz zurück, also einen Verlust der Quantenkohärenz, der durch die höhere Mikrowellenleistung entsteht, die der gleichzeitige Betrieb erfordert. Anders als die Phasenverschiebungen, die das neue Verfahren adressiert, lässt sich dieser Effekt nicht durch Kalibrierung korrigieren. Camenzind sagte, dass weitere Verbesserungen am Gerätedesign helfen könnten.

Vorerst bleibt das Ergebnis im Labor. Es zeigt, dass gemeinsame Steuerleitungen genutzt werden können, ohne an Genauigkeit einzubüßen. Das ist für alle wichtig, die Dutzende oder Hunderte Qubits verdrahten wollen, ohne für jedes eine eigene Leitung zu benötigen. Das erklärte langfristige Ziel des Teams ist ein fehlertoleranter Quantencomputer auf Basis von Silizium-Spin-Qubits. Seigo Tarucha, der ein Siliziumprojekt für Quantencomputing im Rahmen des Moonshot-Ziels 6 der JST leitet, nennt die zuverlässige parallele Steuerung dafür „einen wesentlichen Schritt“. Weder RIKEN noch das Team nennen einen Termin für einen größeren Prozessor, und die Studie beschreibt auch keinen.