Ein Forscherteam der University of New South Wales (UNSW) in Sydney hat einen Durchbruch bei den Spin-Qubit-Kohärenzzeiten erzielt (öffnet in neuem Tab). Die Forschung nutzte die frühere Arbeit des Teams an sogenannten „gekleideten“ Qubits – Qubits, die ständig unter der Wirkung eines elektromagnetischen Feldes stehen, das sie vor Störungen abschirmt. Darüber hinaus nutzten die Forscher a neu gestaltetes Protokoll, SMART, (öffnet in neuem Tab) Dadurch werden die erhöhten Kohärenzzeiten genutzt, damit einzelne Qubits sicher dazu gebracht werden können, die erforderlichen Berechnungen durchzuführen.
Die Verbesserungen ermöglichten es den Forschern, Kohärenzzeiten von bis zu zwei Millisekunden zu registrieren – über hundert Mal höher als bei ähnlichen Kontrollmethoden in der Vergangenheit, aber immer noch weit entfernt von der Zeit, die Ihre Augenlider zum Blinzeln benötigen.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die einem Quantensystem zur Verfügung stehende Rechenleistung zu erhöhen (öffnet in neuem Tab). Die Erhöhung der Anzahl von Qubits – die man sich ähnlich wie klassische Transistoren vorstellen kann – ist eine davon. Neben der Erhöhung der Anzahl adressierbarer Qubits in einem bestimmten System spielt es auch eine Rolle, ob die Ergebnisse, die diese Qubits liefern, korrekt sind (wofür mehrere Implementierungen zur Fehlerkorrektur in der Entwicklung sind). Eine weitere Möglichkeit, die Leistung zu verbessern, besteht darin, die Häufigkeit zu erhöhen, mit der Qubits ihre Informationen vor der Dekohärenz speichern können – in dem Moment, in dem der Zustand der Qubits zusammenbricht, was zum Verlust aller darin enthaltenen Informationen führt. Im Fall von Spin-Qubits ist jedes Mal, wenn das Elektron aufhört sich zu drehen, der Todesstoß für den Zustand des Qubits.
„Eine längere Kohärenzzeit bedeutet, dass Sie mehr Zeit haben, über die Ihre Quanteninformationen gespeichert werden – und genau das brauchen Sie, wenn Sie Quantenoperationen durchführen“, sagte Ph.D. Studentin Amanda Seedhouse, deren Arbeit im theoretischen Quantencomputing zu diesem Erfolg beigetragen hat. „Die Kohärenzzeit sagt Ihnen im Grunde, wie lange Sie alle Operationen in einem beliebigen Algorithmus oder einer beliebigen Reihenfolge ausführen können, bevor Sie alle Informationen in Ihren Qubits verlieren“, fuhr Amanda fort.
Das SMART-Protokoll (Sinusoidally Modulated, Always Rotating and Tailored) der Forscher zielt darauf ab, die Kohärenzzeiten zu verbessern, indem die in die Umgebung eines Qubits eingeführten Interferenzen reduziert werden – und gleichzeitig eine feinkörnige Steuerung jedes Qubits ermöglicht wird.
Eine Möglichkeit, mit Silizium-Spin-Qubits zu interagieren, besteht darin, sie Mikrowellenfeldern auszusetzen, aber dies hat sich als anstrengende Methode erwiesen: Traditionell war ein Mikrowellen-Emitter erforderlich, um jedes der arbeitenden Qubits zu steuern. Doch die Aufrechterhaltung so vieler mikrowellenbasierter Magnetfelder, die im Quantenbereich arbeiten – neben dem skalierenden Energieverbrauch und der erhöhten Wärmeableitung durch die Vielzahl von Antennen – tendiert dazu, das Umgebungsrauschen zu erhöhen. Und höheres Umgebungsrauschen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Qubit-Dekohärenz auftritt. Darüber hinaus arbeiteten die Versuche der Wissenschaftler, die Kontrolle über Qubit-Zustände zu erhöhen, gegen Kohärenzzeiten.
All dies würde den Anforderungen für ein vollwertiges Quantencomputing entgegenstehen, das voraussichtlich Millionen von Qubits erfordern wird, die harmonisch auf ein endgültiges Rechenziel hinarbeiten.
Unter Verwendung eines dielektrischen Resonators zeigten die Forscher dass das gesamte Qubit-Feld stattdessen mit einer einzigen Antenne gesteuert werden könnte (öffnet in neuem Tab). Die Antenne, von der erwartet wird, dass sie Millionen von Qubits gleichzeitig handhaben kann, funktioniert, indem sie den Spin des Elektrons aufrechterhält – die Quanteneigenschaft, aus der Silizium-Qubits einen Teil ihres Charmes beziehen. Ein weiteres Element ist, dass Silizium-Qubits schließlich das jahrzehntelange Know-how der Siliziumhersteller nutzen könnten, um die höchste Leistung und die höchsten Produktionsausbeuten dieses Materials zu erreichen.
Aber während es wichtig ist die Spin-Zustände der gesamten Qubit-Felder aufrechterhalten (öffnet in neuem Tab) (damit sie nicht dekohären) erfordern genaue Berechnungen immer noch, dass Qubits einzeln manipuliert werden. Wenn sich beispielsweise Änderungen im Mikrowellenfeld auf alle Qubits ähnlich auswirken, gäbe es nicht viel zu kontrollieren, welche Informationen jedes Spin-Qubit darstellt.
Die Forscher entwickelten und übernahmen das SMART-Protokoll, um einfacher mit Qubit-Zuständen zu interagieren. Dadurch konnten sie die Spin-Qubits so manipulieren, dass sie hin und her schaukeln, anstatt sich im Kreis zu drehen. Wie das Pendel einer Standuhr wurde jedes Qubit dazu gebracht, sich hin und her zu bewegen. Durch die Wechselwirkung mit der Schwingung jedes Qubits durch ein elektrisches Feld wurden die Qubits aus der Resonanz gebracht, während sie ihren Rhythmus beibehielten, was es den Forschern ermöglichte, sie dazu zu bringen, im Vergleich zu ihren Nachbarn in unterschiedlichen Tempi zu schwingen (einer „stieg“, während einer „fiel“. “).
„Stellen Sie sich das wie zwei Kinder auf einer Schaukel vor, die ziemlich synchron vorwärts und rückwärts gehen“, sagt Ms. Seedhouse. „Wenn wir einem von ihnen einen Schubs geben, können wir ihn dazu bringen, das Ende seines Bogens an entgegengesetzten Enden zu erreichen, sodass einer eine 0 sein kann, wenn der andere jetzt eine 1 ist.“
Die Bemühungen der UNSW-Forscher haben gezeigt, dass Gruppen von Qubits durch eine einzige, mikrowellenbasierte Magnetquelle gesteuert werden können. Im Gegensatz dazu kann das Anlegen eines elektronisch gesteuerten Magnetfelds einzelne Qubits besser steuern. Laut den Forschern nutzt das SMART-Protokoll einen potenziellen Weg für vollwertige Quantencomputer.
„Wir haben einen einfachen und eleganten Weg gezeigt, alle Qubits auf einmal zu steuern, der auch mit einer besseren Leistung einhergeht“, sagt er Dr.Henry Yang (öffnet in neuem Tab)einer der leitenden Forscher im Team.