Neue Quantencomputerarchitektur erreicht Elektronenladungs-Qubit mit einer Kohärenzzeit von 0,1 Millisekunden

Kohärenz ist eine Säule effektiver Kommunikation, sei es beim Schreiben, Sprechen oder bei der Informationsverarbeitung. Dieses Prinzip erstreckt sich auf Quantenbits oder Qubits, die Bausteine ​​des Quantencomputings. Ein Quantencomputer könnte eines Tages bisher unüberwindbare Herausforderungen in den Bereichen Klimavorhersage, Materialdesign, Arzneimittelentwicklung und mehr bewältigen.

Ein Team unter der Leitung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hat einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zum zukünftigen Quantencomputing erreicht. Sie haben die Kohärenzzeit für ihren neuartigen Qubit-Typ auf beeindruckende 0,1 Millisekunden verlängert – fast tausendmal besser als der bisherige Rekord.

Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik.

„Anstelle von 10 bis 100 Operationen über die Kohärenzzeiten herkömmlicher Elektronenladungs-Qubits können unsere Qubits 10.000 mit sehr hoher Präzision und Geschwindigkeit ausführen“, sagte Dafei Jin, Professor an der University of Notre Dame mit einer gemeinsamen Berufung am Center for Nanoscale von Argonne Materialien.

Im Alltag sind 0,1 Millisekunden so flüchtig wie ein Wimpernschlag. In der Quantenwelt stellt es jedoch ein Fenster dar, das lang genug ist, damit ein Qubit viele tausend Operationen ausführen kann.

Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits scheinbar in beiden Zuständen 0 und 1 existieren. Für jedes funktionierende Qubit ist die Aufrechterhaltung dieses gemischten Zustands für eine ausreichend lange Kohärenzzeit unerlässlich. Die Herausforderung besteht darin, das Qubit vor der ständigen Flut störender Geräusche aus der Umgebung zu schützen.

Die Qubits des Teams kodieren Quanteninformationen in den Bewegungszuständen (Ladungszuständen) des Elektrons. Aus diesem Grund werden sie Ladungs-Qubits genannt.

„Unter den verschiedenen existierenden Qubits sind Elektronenladungs-Qubits aufgrund ihrer einfachen Herstellung und Bedienung sowie ihrer Kompatibilität mit bestehenden Infrastrukturen für klassische Computer besonders attraktiv“, sagte Jin, der leitende Forscher des Projekts. „Diese Einfachheit sollte zu niedrigen Kosten beim Bau und Betrieb großer Quantencomputer führen.“

Jin ist ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center for Nanoscale Materials (CNM), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Dort leitete er die Entdeckung ihres neuen Qubit-Typs, über den letztes Jahr berichtet wurde.

Das Qubit des Teams ist ein einzelnes Elektron, das im Vakuum auf einer ultrareinen festen Neonoberfläche gefangen ist. Das Neon ist wichtig, weil es Störungen durch die Umgebung widersteht. Neon ist eines der wenigen Elemente, die nicht mit anderen Elementen reagieren. Die Neonplattform schützt das Elektronen-Qubit und garantiert von Natur aus eine lange Kohärenzzeit.

„Dank des geringen Fußabdrucks einzelner Elektronen auf festem Neon sind mit ihnen hergestellte Qubits kompakter und vielversprechender für die Skalierung zu mehreren verknüpften Qubits“, sagte Xu Han, Assistenzwissenschaftler am CNM mit einer gemeinsamen Anstellung an der Pritzker School of Molecular Ingenieurwesen an der University of Chicago. „Diese Eigenschaften, zusammen mit der Kohärenzzeit, machen unser Elektronen-Qubit außergewöhnlich überzeugend.“

Durch kontinuierliche experimentelle Optimierung verbesserte das Team nicht nur die Qualität der Neonoberfläche, sondern reduzierte auch die Störsignale deutlich. Wie berichtet in Naturphysik, ihre Arbeit hat sich mit einer Kohärenzzeit von 0,1 Millisekunden gelohnt. Das ist etwa eine tausendfache Steigerung gegenüber den anfänglichen 0,1 Mikrosekunden.

„Die lange Lebensdauer unseres Elektronen-Qubits ermöglicht es uns, die einzelnen Qubit-Zustände mit sehr hoher Genauigkeit zu steuern und auszulesen“, sagte Xinhao Li, Postdoktorand bei Argonne und Co-Erstautor der Arbeit. Diese Zeit liegt deutlich über den Anforderungen für Quantencomputing.

Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Qubits ist seine Skalierbarkeit zur Verknüpfung mit vielen anderen Qubits. Das Team erreichte einen wichtigen Meilenstein, indem es zeigte, dass Zwei-Elektronen-Qubits an denselben supraleitenden Schaltkreis gekoppelt werden können, sodass Informationen zwischen ihnen über den Schaltkreis übertragen werden können. Dies markiert einen entscheidenden Schritt in Richtung der Zwei-Qubit-Verschränkung, einem entscheidenden Aspekt des Quantencomputings.

Das Team hat sein Elektronen-Qubit noch nicht vollständig optimiert und wird weiterhin daran arbeiten, die Kohärenzzeit noch weiter zu verlängern und zwei oder mehr Qubits zu verschränken.

Zu den Argonne-Mitwirkenden gehören neben Jin, Han und Li auch die Postdocs Xianjing Zhou und Qianfan Chen. Weitere Mitwirkende sind der Mitautor David I. Schuster, ein ehemaliger Physikprofessor an der University of Chicago, jetzt an der Stanford University, und Xufeng Zhang, ein ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am CNM und jetzt Professor an der Northeastern University. Als Autoren sind außerdem Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang und Christopher S. Wang aufgeführt.

Zu den kooperierenden Institutionen gehören das Lawrence Berkeley National Laboratory, das Massachusetts Institute of Technology, die Northeastern University, die Stanford University, die University of Chicago und die University of Notre Dame.