RIKEN-Forscher erreichen gleichzeitige hochpräzise Steuerung von fünf Silizium-Spin-Qubits

Forscher des RIKEN Center for Emergent Matter Science und ihre Mitarbeiter haben einen bedeutenden Fortschritt in der Silizium-Quantencomputertechnik erzielt und ihre Ergebnisse in Nature Physics veröffentlicht. Das Team steuerte fünf Silizium-Spin-Qubits gleichzeitig über eine gemeinsame Mikrowellen-Steuerleitung, wobei jedes einzelne Qubit eine Gatter-Genauigkeit (Fidelity) für Einzel-Qubit-Operationen von deutlich über 99,99 % erreichte – im besten Fall nahe 99,999 %. Waren bis zu drei Qubits gleichzeitig aktiv, blieb die Genauigkeit über 99,99 %. Bei gleichzeitiger Steuerung aller fünf Qubits lag die Genauigkeit bei etwa 99,9 % – nahe an dem Niveau, das für ein praktisch fehlertolerantes Quantencomputing erforderlich ist.

Das zentrale Problem, mit dem sich das Team befasste, war die sogenannte AC-Stark-Verschiebung: Mikrowellen-Steuersignale verändern die effektiven Energieniveaus eines Qubits und verursachen dadurch unerwünschte Phasenverschiebungen, die die Genauigkeit verringern, wenn mehrere Qubits gemeinsam betrieben werden. Um dem entgegenzuwirken, entwickelten die Forscher eine paarweise Kalibrierungsmethode: Anstatt jede mögliche Kombination von Qubits einzeln zu erfassen, werden Kalibrierungen zwischen Paaren genutzt, um die unerwünschten Verschiebungen auszugleichen – ein Ansatz, der sich auch für größere Systeme eignet.

Leon Camenzind von RIKEN, Co-Erstautor der Studie, erklärte, die Ergebnisse zeigten, dass „eine hochpräzise Steuerung auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn mehrere Qubits gleichzeitig betrieben werden“. Erstautor Yi-Hsien Wu, der die Experimente im Rahmen seiner Promotion durchführte, wies darauf hin, dass die paarweise Strategie ein separates Kalibrierungsverfahren für jede Qubit-Kombination überflüssig macht.

Ein geringer Restfehler blieb bestehen, der auf eine durch die Steuersignale verursachte Dekohärenz zurückgeführt wird – bedingt durch die höhere Mikrowellenleistung, die für den Parallelbetrieb nötig ist. Dem Team zufolge könnte ein verbessertes Bauteildesign diese Einschränkung beheben. Silizium-Spin-Qubits sind mit etablierten Halbleiterfertigungsverfahren kompatibel, was sie zu einer vielversprechenden Plattform für die Skalierung von Quantenprozessoren macht.