Innovative Quanten-Chip überwindet großes Hindernis im Bereich

Quantenphysiker an der Universität von Kopenhagen haben einen großen Sprung im Bereich der Quantentechnologie gemacht und ein großes Hindernis überwunden. Das Team hat gleichzeitig mehrere Spin-Qubits auf dem gleichen Quanten-Chip betrieben, was zu Supercomputern führen wird.

Eines der größten Hindernisse, um einen großen funktionalen Quantencomputer zu erreichen, ist die Kontrolle der vielen grundlegenden Speichergeräte oder Qubits, gleichzeitig. Wenn ein Qubit kontrolliert wird, gibt es normalerweise eine negative Auswirkung durch gleichzeitige Kontrollimpulse, die auf ein anderes Qubit angewendet werden.

Das Team, das diese Herausforderung überwunden hat, bestand aus einem Paar Quantenphysikern am Niels-Bohr-Institut der Universität von Kopenhagen – dem PhD-Studenten und Postdoc Frederico Fedele und der Assistenzprofessorin Anasua Chatterjee. Die beiden arbeiteten in der Gruppe des Associate Professors Ferdinand Kuemmeth.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Physical Review X Quantum veröffentlicht.

Neuer Ansatz mit Spin-Qubits

Während Unternehmen wie Google (GOOGL ) und IBM sich auf Supraleiter-Technologie für Quantenprozessoren konzentrieren, betrachtet die Forschungsgruppe eher Halbleiter-Qubits, oder Spin-Qubits.

“Im Allgemeinen bestehen sie aus Elektronenspins, die in Halbleiter-Nanostrukturen namens Quantenpunkte gefangen sind, so dass individuelle Spin-Zustände kontrolliert und mit einander verknüpft werden können”, sagt Fedele.

Spin-Qubits können ihre Quantenzustände für eine lange Zeit aufrechterhalten, was es ihnen potenziell ermöglicht, schnellere und genauere Berechnungen durchzuführen als andere Plattformtypen. Aufgrund ihrer winzigen Größe können viele mehr von ihnen auf einem Chip untergebracht werden als bei anderen Qubit-Ansätzen. Dies ist wichtig, da mehr Qubits zu einer größeren Rechenleistung führen.

Das Forschungsteam konnte vier Qubits in einem 2×2-Array auf einem einzigen Chip herstellen und betreiben.

Qubits zum Kommunizieren bringen

Laut Anasua Chatterjee ist eines der wichtigsten Ziele, Qubits zum Kommunizieren zu bringen.

“Jetzt, da wir einige ziemlich gute Qubits haben, ist das Ziel, sie in Schaltkreisen zu verbinden, die numerous Qubits enthalten und komplex genug sind, um Quantenberechnungsfehler zu korrigieren”, sagt Chatterjee. “Bisher hat die Forschung an Spin-Qubits den Punkt erreicht, an dem Schaltkreise Arrays von 2×2 oder 3×3 Qubits enthalten. Das Problem ist, dass ihre Qubits nur einzeln behandelt werden.”

Der von dem Team entwickelte Quantenschaltkreis besteht aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid und ist nicht größer als die Größe eines Bakteriums.

Chatterjee ist einer der beiden Hauptautoren der Studie.

“Das neue und wirklich bedeutende an unserem Chip ist, dass wir alle Qubits gleichzeitig betreiben und messen können. Dies wurde noch nie zuvor mit Spin-Qubits – oder mit vielen anderen Qubit-Typen – demonstriert”, sagt Chatterjee.

Um Quantenberechnungen durchzuführen, ist es wichtig, Qubits gleichzeitig zu betreiben und zu messen. Qubits sind sehr empfindlich, und wenn sie einzeln gemessen werden, kann sogar ein kleiner Hintergrundlärm die Quanteninformation in einem System verändern.

“Um leistungsfähigere Quantenprozessoren zu erhalten, müssen wir nicht nur die Anzahl der Qubits erhöhen, sondern auch die Anzahl der gleichzeitigen Operationen, was genau das ist, was wir getan haben”, sagt Professor Kuemmeth.

Ein weiteres großes Hindernis ist, dass die 48 Kontrollelektroden des Chips manuell abgestimmt werden müssen und ständig abgestimmt werden müssen. Dies ist eine zeitaufwändige Aufgabe für Menschen, daher sucht das Team nach einer Möglichkeit, Optimierungsalgorithmen und maschinelles Lernen zu verwenden, um den Prozess zu automatisieren.