Ladungs-Qubits erhalten einen tausendfachen Boost – Physics World

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Künstlerische Darstellung von Ladungs-Qubits, die zwei Kugeln – eine grüne und eine blaue – zeigt, die über einem Chip schweben — Quanten bewahren: Künstlerische Darstellung zweier Ladungs-Qubits mit langer Kohärenzzeit und starker Kopplung. (Mit freundlicher Genehmigung: Dafei Jin/Argonne National Laboratory und der University of Notre Dame)

Forscher in den USA haben die Kohärenzzeit von Ladungsquantenbits (Qubits) dank Fortschritten bei den für ihre Herstellung verwendeten Materialien um den Faktor 1000 verbessert. Angeführt von Dafei Jin des Argonne Center for Nanoscale Materials und David Schuster Das multiinstitutionelle Team der Stanford University und der University of Chicago zeigte außerdem, dass es möglich ist, den Zustand dieser Qubits mit einer Genauigkeit von 98.1 % auszulesen – ein Wert, der laut Jin mit Hilfe ausgefeilterer Auslesetechnologien noch weiter steigen wird.

Die Kohärenzzeit ist im Quantencomputing von entscheidender Bedeutung, da sie angibt, wie lange ein Qubit in einer Überlagerung mehrerer Zustände verbleiben kann, bevor Umgebungsrauschen dazu führt, dass es dekohärent wird oder seine Quantennatur verliert. Während dieser Zeit kann ein Quantencomputer komplexe Berechnungen durchführen, die klassische Computer nicht leisten können.

Viele Quantensysteme können als Qubits fungieren. Spin-Qubits beispielsweise kodieren Quanteninformationen im Spin eines Elektrons oder Kerns, der nach oben, nach unten oder eine Überlagerung beider sein kann. Ladungs-Qubits wiederum stellen Quanteninformationen durch das Vorhandensein oder Fehlen einer überschüssigen Ladung auf einem im Qubit-System enthaltenen Elektron dar. Sie sind relativ neu – Mitglieder des Teams erstellte die erste im Jahr 2022 – und Jin sagt, dass sie gegenüber Spin-Qubits mehrere Vorteile haben.

„Ladungs-Qubits ermöglichen typischerweise eine viel schnellere Betriebsgeschwindigkeit, da Ladungen stark mit elektrischen Feldern gekoppelt sind“, erklärt er. „Das ist gegenüber Spin-Qubits von Vorteil, da Spins nur schwach mit Magnetfeldern koppeln. Ladungs-Qubit-Geräte sind im Allgemeinen viel einfacher herzustellen und zu betreiben, da die meisten bestehenden Herstellungs- und Betriebsinfrastrukturen auf Ladungen und elektrischen Feldern statt auf Spins und Magnetfeldern basieren. Sie können oft kompakter gebaut werden.“

Ultraclean ist ultraleise

Jin erklärt, dass die Forscher ihre Ladungs-Qubits erstellt haben, indem sie ein Elektron in einem Quantenpunkt eingefangen haben, einer nanoskaligen Ansammlung von Atomen, die sich wie ein einzelnes Quantenteilchen verhält. Der Quantenpunkt ruht auf einer Oberfläche aus massivem Neon und wird in ein Vakuum gebracht.

Laut Jin ist diese ultrareine Umgebung der Schlüssel zum Erfolg des Experiments. Als Edelgas geht Neon keine chemischen Bindungen mit anderen Elementen ein. Tatsächlich weist das Team in a darauf hin Naturphysik In einem Artikel über die Forschung kondensiert Neon in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen und nahezu einem Vakuum zu einem hochreinen Halbquantenfeststoff, der frei von allem ist, was Rauschen in das Qubit einbringen könnte. Dieser Mangel an Rauschen ermöglichte es dem Team, die Kohärenzzeit des Ladungs-Qubits von den für frühere Bemühungen typischen 100 Nanosekunden auf 100 Mikrosekunden zu steigern.

Darüber hinaus lesen die Forscher den Zustand dieser Qubits aus 98.1 % Wiedergabetreue ohne einen quantenbegrenzten Verstärker zu verwenden, den Jin als „ein spezielles Gerät bei sehr niedriger Temperatur (in unserem Fall 10 Millikelvin) beschreibt, das schwache elektromagnetische Signale verstärken kann, aber nahezu kein thermisches Rauschen verursacht“. Da solche Geräte die Auslesefähigkeit verbessern, sei es besonders beeindruckend, ohne sie eine Wiedergabetreue von 98.1 % zu erreichen, sagt Jin. „Sobald wir sie in unseren zukünftigen Experimenten nutzen, kann die Wiedergabetreue nur noch viel höher sein“, fügt er hinzu.

Der nächste Meilenstein

Während eine tausendfache Steigerung der Kohärenzzeit bereits eine große Verbesserung gegenüber bisherigen Ladungs-Qubit-Systemen darstellt, erwarten die Forscher für die Zukunft noch mehr. Laut Jin deuten die theoretischen Berechnungen des Teams darauf hin, dass das Ladungs-Qubit-System eine Kohärenzzeit von 1–10 Millisekunden erreichen könnte, was eine weitere Verbesserung um den Faktor 10–100 gegenüber den aktuellen Werten darstellt. Um dies zu realisieren, müssen Wissenschaftler jedoch eine bessere Kontrolle über jeden Aspekt des Experiments erlangen, vom Gerätedesign und der Herstellung bis hin zur Qubit-Steuerung.

Im industriellen Maßstab hergestellte Silizium-Spin-Qubits

Darüber hinaus suchen Jin und seine Kollegen weiterhin nach Möglichkeiten, das System noch weiter zu verbessern.

„Der größte nächste Meilenstein besteht darin, zu zeigen, dass zwei Ladungs-Qubits miteinander verschränkt werden können“, sagt Jin. „Wir haben daran gearbeitet und große Fortschritte gemacht. Sobald uns das gelingt, ist unsere Qubit-Plattform bereit für das universelle Quantencomputing, auch wenn die Leistung im Detail noch weiter verbessert werden kann.“