Studie untersucht den physikalischen Ursprung von Fehlern in einem Spin-Qubit-Prozessor

Um bemerkenswerte Leistungen zu erzielen, müssen Quantencomputersysteme, die auf mehreren Qubits basieren, eine hochgenaue Verschränkung zwischen ihren zugrunde liegenden Qubits erreichen. Frühere Studien haben gezeigt, dass Festkörper-Quantenplattformen – Quantencomputersysteme auf Basis fester Materialien – sehr fehleranfällig sind, was sich negativ auf die Kohärenz zwischen Qubits und ihre Gesamtleistung auswirken kann.

Forscher von Diraq, einem in Sydney ansässigen Unternehmen für Quantenhardwaretechnologie, und UNSW haben sich kürzlich daran gemacht, die Fehler zu untersuchen, die in einem Spin-Qubit-Prozessor auftreten, der aus hochpräzisen Zwei-Qubit-Gattern in Silizium-Quantenpunkten besteht.

Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht In Naturphysikliefern neue Einblicke in die Möglichkeiten und Herausforderungen, die mit der Skalierung spinbasierter Silizium-Qubits verbunden sind.

„Das 21. Jahrhundert dreht sich dank des halbleitenden Siliziumchips um die Computerisierung“, sagten Andrew Dzurak und Tuomo Tanttu, Co-Autoren des Artikels, gegenüber Phys.org.

„Der bescheidene Siliziumchip ist entscheidend für die Digitalisierung und Vernetzung unseres täglichen Lebens – von den Telefonen, die wir verwenden, den Computern, auf die wir uns verlassen, und den Systemen, die wir betreiben, um auf Informationen zuzugreifen, Daten auszutauschen und die Infrastruktur und Entscheidungswerkzeuge effektiv zu verwalten.“ die für vernetzte moderne, florierende Volkswirtschaften erforderlich sind.

„Diese Nachfrage hat das Wachstum der komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Fertigungsindustrie unterstützt.“

In den letzten Jahren haben einige Ingenieure und Quantenphysiker die Möglichkeit untersucht, Quantentechnologien mithilfe etablierter Transistoren auf Siliziumbasis zu entwickeln. Dies liegt daran, dass die Prozesse zur Herstellung dieser Transistoren gut etabliert und streng kontrolliert sind.

„Hochmoderne Herstellungsprozesse sind von zentraler Bedeutung für die Vision von Diraq, den weltweit ersten fehlertoleranten Quantencomputer auf Basis von Silizium-Quantenpunkten zu bauen“, sagte Dzurak, CEO und Gründer von Diraq. „Unser grundlegendes geistiges Eigentum liegt im Design und Betrieb von Silizium-Spin-Qubits, die mit der CMOS-Foundry-Fertigung kompatibel sind.“

Dzurak, Tanttu und ihre Kollegen bei Diraq haben nach Möglichkeiten gesucht, lithografische Techniken zur Herstellung von Siliziumtransistoren für die Herstellung von Quantentechnologien zu nutzen. Die Forscher haben sich kürzlich speziell mit dem Potenzial fortschrittlicher Techniken zur Kodierung von Qubits in Halbleiter-Spinträgern beschäftigt, die in großem Maßstab hergestellt und integriert werden könnten.

„Quantenberechnung erfordert viele Qubits, die kohärent gesteuert und miteinander gekoppelt werden können“, sagte Dzurak. „Wir haben uns der Herausforderung gestellt, zu verstehen, ob es möglich ist, Verschränkungsgatter mit hoher Wiedergabetreue (über 99 %) zwischen Qubits auf derselben Siliziumplattform auszuführen, die für Siliziumtransistoren verwendet wird. Die Forschung wurde erweitert, um auch zu verstehen, welche Rauschquellen die Wiedergabetreue beeinträchtigen.“ des verwickelten Tores.

Durch die Erforschung des physikalischen Ursprungs von Fehlern in siliziumbasierten Quantenprozessoren wollen Dzurak, Tanttu und ihre Kollegen zur Entwicklung von Quantencomputern beitragen, die auf weit verbreiteten Materialien basieren. Im Rahmen ihrer Studie verwendeten sie drei wichtige Diagnosetechniken, um Quantenzustände und Logikgatter in einem Spin-Qubit-Gerät auf Siliziumbasis zu vergleichen und zu charakterisieren.

„Wir wollten eine umfassende Methodik und haben daher drei verschiedene robuste Techniken ausgewählt, um unsere Untersuchung zur Kontrolle und Messung nachhaltiger Leistung zu unterstützen“, erklärte Tanttu. „Die drei Messtechniken, die wir verwendet haben, sind Interleaved Randomized Benchmarking (IRB), Gate Set Tomography (GST) und Fast Bayesian Tomography (FBT).“

Alle von den Forschern eingesetzten Techniken erfordern den Betrieb einer Reihe spezifischer logischer Schaltkreise in einem Quantenprozessor. Indem sie sie auf ihren Prozessor anwendeten, sammelten sie Informationen über die Physik, die seiner Funktionsweise zugrunde liegt, und damit über mögliche Fehler.

„Diese Diagnosewerkzeuge sind für die Entwicklung von Quantengeräten von entscheidender Bedeutung, da sie für die Verbesserung der Systemzuverlässigkeit und der Quantenlogikoperationen, auch als Logikgatter bekannt, von entscheidender Bedeutung sind“, sagte Tanttu.

„Zum Beispiel geben die Ergebnisse bei GST Aufschluss darüber, wie man Fehler verhindert, anstatt sie zu korrigieren. Beide Tomographiemethoden lieferten ein detailliertes Bild der Rauschkanäle. Im Gegensatz dazu lieferte die traditionellere IRB-Methode eine einzige Genauigkeitszahl ohne zusätzliche physikalische Informationen.“ „

Dzurak, Tanttu und Kollegen identifizierten außerdem eine vielversprechende Methode zum Extrahieren umfassender Informationen aus Daten, die über IRB verbunden sind. Konkret analysierten sie die IRB-Daten erneut, indem sie eine FBT-Analyse für genau denselben Datensatz durchführten.

„Dies lieferte Informationen über die Rauschkanäle und wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelten“, erklärte Tanttu. „Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination dieser verschiedenen Techniken es uns ermöglichte, ein vollständigeres physikalisches Bild unseres Systems zu erstellen und die Leistung unseres Qubits besser zu bewerten.“

Die von diesem Forschungsteam durchgeführten Tests führten zu zwei wichtigen Erkenntnissen. Erstens demonstrierten sie die Möglichkeit, eine hohe Betriebsgenauigkeit von über 99 % für die Verschränkungstore in ihrer Plattform zu erreichen.

Zweitens konnten sie Lärmquellen in ihren verwickelten Toren identifizieren. Dies wiederum ermöglichte es ihnen, Strategien zu entwickeln, um die Wiedergabetreue ihrer Tore zu verbessern.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung der Siliziumtransistortechnologie als Kernbaustein für die Herstellung zukünftiger Quantencomputer im Versorgungsmaßstab sinnvoll ist“, sagte Dzurak. „In der Praxis bedeutet das auch, dass wir uns stärker auf die Skalierung der Plattform konzentrieren können.“

Das Team von Diraq arbeitet nun daran, seinen Spin-Qubit-Prozessor weiter zu verbessern und zu testen. Sie planen beispielsweise, ihr Experiment über die Laborgeräte der Universität hinaus zu wiederholen und dabei Spinprozessoren zu verwenden, die in einer Halbleitergießerei hergestellt werden.

„Darüber hinaus halten wir es für sinnvoll, zu untersuchen, ob das Verständnis der zugrunde liegenden Fehler genutzt werden kann, um die Genauigkeit des Vorgangs mit verbesserten Materialien oder anderen Kontrollmethoden weiter zu verbessern“, fügte Dzurak hinzu.

„Da unsere Betriebstreue eng mit anderen Festkörperplattformen übereinstimmt, freuen wir uns jetzt auf weitere Fortschritte, insbesondere durch die Erhöhung der Anzahl der Qubits in einem einzelnen Chip.“

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