Neue Quantencomputer-Architektur erreicht Elektronenladungs-Qubit mit einer Kohärenzzeit von 0,1 Millisekunden.

26. Oktober 2023

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von Joseph E. Harmon, Argonne National Laboratory

Kohärenz ist ein Grundpfeiler effektiver Kommunikation, sei es beim Schreiben, Sprechen oder Informationsverarbeitung. Dieses Prinzip erstreckt sich auch auf Quantenbits, oder Qubits, die Bausteine der Quantencomputertechnologie. Ein Quantencomputer könnte eines Tages bisher unüberwindbare Herausforderungen in der Klimavorhersage, der Materialentwicklung, der Arzneimittelentdeckung und vielem mehr bewältigen.

Ein Team des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hat einen bedeutenden Meilenstein in Richtung zukünftiger Quantencomputertechnologie 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 in Nature Physics veröffentlicht.

"Anstelle von 10 bis 100 Operationen über die Kohärenzzeiten konventioneller Elektronenladungs-Qubits können unsere Qubits 10.000 mit sehr hoher Präzision und Geschwindigkeit ausführen", sagte Dafei Jin, Professor an der University of Notre Dame und gleichzeitig am Argonne Center for Nanoscale Materials tätig.

Im täglichen Leben ist 0,1 Millisekunden so flüchtig wie ein Augenblick. Im quantenmechanischen Bereich repräsentiert es jedoch ein langes Zeitfenster, in dem ein Qubit viele Tausend Operationen durchführen kann.

Im Gegensatz zu klassischen Bits können Qubits anscheinend in beiden Zuständen, 0 und 1, existieren. Für ein funktionierendes Qubit ist es entscheidend, diesen gemischten Zustand für eine ausreichend lange Kohärenzzeit zu erhalten. Die Herausforderung besteht darin, das Qubit vor der ständigen Störung durch Geräusche aus der Umgebung zu schützen.

Die Qubits des Teams kodieren Informationen in den Bewegungszuständen (Ladungszuständen) des Elektrons. Deshalb werden sie als Ladungs-Qubits bezeichnet.

"Unter den verschiedenen existierenden Qubits sind Elektronenladungs-Qubits aufgrund ihrer einfachen Herstellung und Bedienung sowie ihrer Kompatibilität mit den vorhandenen Infrastrukturen für klassische Computer besonders attraktiv", sagt Jin, der leitende Ermittler des Projekts. "Diese Einfachheit sollte zu niedrigen Kosten beim Bau und Betrieb von Quantencomputern im großen Maßstab führen."

Jin war früher als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Center for Nanoscale Materials (CNM), einer Nutzereinrichtung des Office of Science des DOE am Argonne National Laboratory, tätig. Dort leitete er die Entdeckung ihres neuen Qubit-Typs, die im letzten Jahr berichtet wurde.

Das Qubit des Teams ist ein einzelnes Elektron, das auf einer ultrasauberen Festkörper-Neonoberfläche in einem Vakuum gefangen ist. Das Neon ist wichtig, da es keine Störungen durch die Umgebung verursacht. Neon ist eines von wenigen Elementen, das nicht mit anderen Elementen reagiert. Die Neon-Plattform hält das Elektronen-Qubit geschützt und garantiert von Natur aus eine lange Kohärenzzeit.

"Dank des kleinen Fußabdrucks einzelner Elektronen auf festem Neon sind Qubits, die mit ihnen hergestellt werden, kompakter und vielversprechend für die Skalierung auf mehrere verbundene Qubits", sagt Xu Han, Assistenzwissenschaftler im CNM mit einer gleichberechtigten Anstellung an der Pritzker School of Molecular Engineering an der University of Chicago. "Diese Eigenschaften sowie die Kohärenzzeit machen unser Elektronen-Qubit außergewöhnlich überzeugend."

Nach fortlaufender experimenteller Optimierung verbesserte das Team nicht nur die Qualität der Neonoberfläche, sondern reduzierte auch deutlich die störenden Signale. Wie in Nature Physics berichtet, zahlte sich ihre Arbeit mit einer Kohärenzzeit von 0,1 Millisekunden aus. Das ist etwa tausendmal länger als die anfänglichen 0,1 Mikrosekunden.

"Die lange Lebensdauer unseres Elektronen-Qubits ermöglicht es uns, die einzelnen Qubit-Zustände mit sehr hoher Treffsicherheit zu steuern und auszulesen", sagt Xinhao Li, ein Postdoktorand am Argonne Lab und Co-Erstautor des Artikels. Diese Zeit liegt weit über den Anforderungen für Quantencomputing.

Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Qubits ist seine Skalierbarkeit zur Verbindung mit vielen anderen Qubits. Das Team erreichte einen bedeutenden Meilenstein, indem es zeigte, dass Zwei-Elektronen-Qubits sich mit demselben supraleitenden Kreis verbinden können, sodass Informationen zwischen ihnen über den Kreis übertragen werden können. Dies markiert einen entscheidenden Schritt in Richtung Zwei-Qubit-Verschränkung, einem kritischen Aspekt des Quantencomputings.

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

In addition to Jin, Han and Li, Argonne contributors include postdocs Xianjing Zhou and Qianfan Chen. Other contributors include co-corresponding author David I. Schuster, a former physics professor at the University of Chicago now at Stanford University, and Xufeng Zhang, a former staff scientist at CNM and now a professor at Northeastern University. Also listed as authors are Gerwin Koolstra, Ge Yang, Brennan Dizdar, Yizhong Huang and Christopher S. Wang.

The collaborating institutions include Lawrence Berkeley National Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Northeastern University, Stanford University, the University of Chicago and the University of Notre Dame.

Journal information: Nature Physics

Provided by Argonne National Laboratory