Silizium-Spin-Qubits sind eine vielversprechende Plattform für den Bau skalierbarer Quantencomputer, da sie mit den Halbleiterfertigungstechnologien kompatibel sind, die zur Herstellung heutiger Computerchips verwendet werden. Sie weisen jedoch eine wesentliche Schwäche auf: Silizium-Spin-Qubits verlieren in der Regel an Genauigkeit, wenn mehrere Qubits parallel gesteuert werden. Um von Nutzen zu sein, müssen Quantencomputer viele Qubits gleichzeitig betreiben, ohne die Genauigkeit ihrer Operationen zu beeinträchtigen.
In einer neuen Studie haben Forscher des RIKEN Center for Emergent Matter Science gemeinsam mit Kooperationspartnern diese Herausforderung angegangen, indem sie eine hochpräzise Steuerung mehrerer parallel arbeitender Silizium-Spin-Qubits erreicht haben. Mithilfe eines aus fünf Qubits bestehenden Silizium-Arrays, das über eine einzige gemeinsame Mikrowellenleitung gesteuert wurde, identifizierten sie eine wesentliche Fehlerquelle beim gleichzeitigen Betrieb der Qubits und entwickelten eine Methode, um deren Auswirkungen zu mindern. Leon Camenzind, Wissenschaftler am RIKEN und Mitautor der Studie, der die Experimente leitete, erklärt: „Dies zeigt, dass eine hochpräzise Steuerung auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn mehrere Qubits gleichzeitig betrieben werden, und stellt einen wichtigen Schritt in Richtung der Skalierung von Quantenprozessoren auf Siliziumbasis dar.“
Den Verursacher von Steuerungsfehlern entlarven
Quantencomputer verarbeiten Informationen mithilfe von Quantenbits, sogenannten Qubits, die Kombinationen der herkömmlichen binären Zustände 0 und 1 darstellen. In Silizium-Spin-Qubits wird die Information im Spin eines in einem Siliziumsubstrat eingeschlossenen Elektrons kodiert. Die präzise Steuerung dieser Spins ist für die Durchführung von Quantenoperationen unerlässlich. Die gleichzeitige Anwendung von Mikrowellen-Steuersignalen auf mehrere Qubits kann jedoch zu Fehlern führen, die die Rechengenauigkeit beeinträchtigen.
Die Forscher stellten zu Beginn ihrer Arbeit fest, dass die Hauptursache für diese Verschlechterung ein als „AC-Stark-Shift“ bekanntes Phänomen ist, das durch die Mikrowellen-Steuersignale ausgelöst wird. Dieser Effekt verändert die effektiven Energieniveaus eines Qubits, verschiebt die Phase seines Quantenzustands und beeinträchtigt die Präzision seines Betriebs. Werden mehrere Qubits gleichzeitig angesteuert, können diese Verschiebungen die beabsichtigte Steuerung der einzelnen Qubits stören.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team ein skalierbares Protokoll zur Fehlerminderung auf der Grundlage von Phasenkalibrierungen. „Anstatt für jede mögliche Kombination von Qubits ein völlig separates Kalibrierungsverfahren zu erfordern, nutzt unsere Methode Kalibrierungen zwischen Qubit-Paaren, um die unerwünschten Phasenverschiebungen auszugleichen“, erklärt Yi-Hsien Wu, der Erstautor, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat.
Aufrechterhaltung der Genauigkeit im Parallelbetrieb
Mithilfe eines angepassten Gerätedesigns und sorgfältig kalibrierter Mikrowellen-Steuerimpulse erreichte das Team bei jedem der fünf Qubits, wenn diese einzeln betrieben wurden, Gatter-Fidelitäten von deutlich über 99,99 Prozent, wobei der beste Wert bei fast 99,999 Prozent lag. Die Fidelity misst, wie genau eine Quantenoperation ausgeführt wird. Wichtig ist, dass sie mithilfe des Protokolls Fidelities von über 99,99 Prozent erzielen konnten, wenn bis zu drei Qubits gleichzeitig betrieben wurden. Beim Parallelbetrieb aller fünf Qubits blieben die Fidelities bei etwa 99,9 Prozent – ein Niveau, das nahe an den praktischen Anforderungen für fehlertolerantes Quantencomputing liegt.
Der verbleibende Qualitätsverlust wurde auf eine durch die Ansteuerung verursachte Dekohärenz zurückgeführt, die durch die für den gleichzeitigen Betrieb erforderliche höhere Mikrowellenleistung bedingt war. Im Gegensatz zu den Phasenverschiebungen, die durch das neue Kalibrierungsprotokoll behoben werden, geht dieser Effekt mit einem Verlust der Quantenkohärenz einher. Camenzind erklärte dazu: „Dies ist eine Einschränkung, aber weitere Verbesserungen am Gerätedesign könnten dazu beitragen, diese Fehlerquelle zu mindern.“
Auf dem Weg zu skalierbaren Quantenprozessoren aus Silizium
Die Ergebnisse zeigen, dass bei parallel betriebenen Silizium-Spin-Qubits keine Abstriche bei der Steuerungsgenauigkeit gemacht werden müssen. „Indem wir eine wesentliche Ursache für Steuerungsfehler durch paarweise Kalibrierung beseitigen“, so Camenzind, „unterstützt unsere Studie den Einsatz gemeinsamer Steuerleitungen als praktischen Ansatz zur Skalierung von Quantenprozessoren. In Verbindung mit der Kompatibilität von Silizium mit der etablierten Halbleiterfertigung glauben wir, dass dieser Fortschritt dazu beitragen könnte, den Weg für größere Quantenprozessoren zu ebnen, die immer komplexere Berechnungen durchführen können.“
„Unser langfristiges Ziel ist es, einen fehlertoleranten Quantencomputer auf Basis von Silizium-Spin-Qubits zu bauen, und eine zuverlässige parallele Steuerung ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel“, fügt Seigo Tarucha hinzu, Projektleiter eines Silizium-Quantenrechnerprojekts im Rahmen des „Moonshot Goal 6“ der JST.
