Purzelbäume bei Spin-Qubits für universelle Quantenlogik könnten die Kontrolle in größeren Arrays verbessern

Forscher bei QuTech haben Saltospin-Qubits für die universelle Quantenlogik entwickelt. Diese Leistung könnte eine effiziente Steuerung großer Halbleiter-Qubit-Arrays ermöglichen. Die Forschergruppe veröffentlichte ihre Demonstration hüpfender Spins in Naturkommunikation und ihre Arbeit an Purzelbäumen in Wissenschaft.

1998 veröffentlichten Loss und DiVincenzo die wegweisende Arbeit „Quantenberechnung mit Quantenpunkten“. In ihrer ursprünglichen Arbeit wurde das Springen von Spins als Grundlage für die Qubit-Logik vorgeschlagen, eine experimentelle Umsetzung blieb jedoch aus. Nach mehr als 20 Jahren haben die Experimente die Theorie eingeholt. Forscher bei QuTech – einer Zusammenarbeit zwischen der TU Delft und TNO – haben gezeigt, dass die ursprünglichen „Springgatter“ tatsächlich möglich sind und eine Leistung auf dem neuesten Stand der Technik aufweisen.

Einfache Steuerung

Qubits auf Basis von Quantenpunkten werden weltweit untersucht, da sie als interessante Plattform für den Bau eines Quantencomputers gelten. Der beliebteste Ansatz besteht darin, ein einzelnes Elektron einzufangen und ein ausreichend großes Magnetfeld anzulegen, sodass der Spin des Elektrons als Qubit verwendet und durch Mikrowellensignale gesteuert werden kann.

In dieser Arbeit zeigen die Forscher jedoch, dass keine Mikrowellensignale erforderlich sind. Stattdessen genügen Basisbandsignale und kleine Magnetfelder, um eine universelle Qubit-Steuerung zu erreichen. Dies ist von Vorteil, da dadurch die für den Betrieb zukünftiger Quantenprozessoren erforderliche Steuerelektronik deutlich vereinfacht werden kann.

Von hüpfenden zu purzelnden Qubits

Um den Spin zu steuern, muss man von Punkt zu Punkt springen und einen physikalischen Mechanismus haben, der ihn drehen kann. Der Vorschlag von Loss und DiVincenzo verwendet zunächst einen bestimmten Magnettyp, dessen experimentelle Umsetzung sich als schwierig erwies.

Stattdessen hat die Gruppe bei QuTech Germanium als Pionier eingesetzt. Dieser Halbleiter könnte praktischerweise bereits Spinrotationen ermöglichen. Dies wird durch eine in Naturkommunikationwo Floor van Riggelen-Doelman und Corentin Déprez von derselben Gruppe zeigen, dass Germanium als Plattform für das Springen von Spin-Qubits als Grundlage für die Herstellung von Quantenverbindungen dienen kann. Sie beobachteten erste Anzeichen von Spinrotationen.

Wenn man den Unterschied zwischen hüpfenden und Purzelbäume schlagenden Qubits betrachtet, kann man sich Quantenpunkt-Arrays wie einen Trampolinpark vorstellen, in dem Elektronenspins wie springende Menschen sind. Normalerweise hat jede Person ein eigenes Trampolin, kann aber auch auf benachbarte Trampoline springen, falls diese verfügbar sind. Germanium hat eine einzigartige Eigenschaft: Allein durch das Springen von einem Trampolin zum nächsten erfährt eine Person ein Drehmoment, das sie Purzelbäume schlagen lässt. Diese Eigenschaft ermöglicht es Forschern, die Qubits effektiv zu steuern.

Chien-An Wang, Erstautor des Wissenschaft In seinem Paper führt er aus: „Germanium hat den Vorteil, dass es die Spins in verschiedenen Quantenpunkten in verschiedene Richtungen ausrichtet.“ Es stellte sich heraus, dass man sehr gute Qubits herstellen kann, indem man die Spins zwischen solchen Quantenpunkten hin- und herspringen lässt. „Wir haben Fehlerraten von weniger als tausend für Ein-Qubit-Gatter und weniger als hundert für Zwei-Qubit-Gatter gemessen.“

Purzelbäume schlagende Qubits im Trampolinpark

Nachdem das Team die Kontrolle über zwei Spins in einem System aus vier Quantenpunkten etabliert hatte, ging es noch einen Schritt weiter. Anstatt Spins zwischen zwei Quantenpunkten hüpfen zu lassen, untersuchte das Team auch das Hüpfen durch mehrere Quantenpunkte. Analog dazu entspräche dies einem Menschen, der über viele Trampoline hüpft und Purzelbäume schlägt. Co-Autor Valentin John erklärt: „Für Quantencomputer ist es notwendig, große Zahlen von Qubits mit hoher Präzision zu betreiben und zu koppeln.“

Auf verschiedenen Trampolinen spüren Menschen beim Springen unterschiedliche Drehmomente, und auch das Hüpfen zwischen Quantenpunkten führt zu unterschiedlichen Rotationen. Daher ist es wichtig, die Variabilität zu charakterisieren und zu verstehen.

Co-Autor Francesco Borsoi fügt hinzu: „Wir haben Kontrollroutinen entwickelt, die es ermöglichen, Spins zu jedem beliebigen Quantenpunkt in einem Array aus 10 Quantenpunkten zu leiten. So können wir wichtige Qubit-Metriken in erweiterten Systemen untersuchen.“

„Ich bin stolz auf die Teamarbeit“, sagt Forschungsleiter Menno Veldhorst. „Innerhalb eines Jahres wurde die Beobachtung der Qubit-Rotationen durch Hopping zu einem Werkzeug, das von der gesamten Gruppe genutzt wird. Wir glauben, dass es entscheidend ist, effiziente Kontrollsysteme für den Betrieb zukünftiger Quantencomputer zu entwickeln, und dieser neue Ansatz ist vielversprechend.“