Silizium-Spin-Qubits sind seit langem die vielversprechenden Überflieger des Quantencomputings: Sie lassen sich mit denselben Halbleiterverfahren herstellen, die auch heutige Computerchips produzieren – das ist das technologische Äquivalent dazu, zu einem Black-Tie-Event in einem Anzug zu erscheinen, den man bereits besitzt. Der Haken ist natürlich, dass ihre Operationen weniger präzise werden, wenn man versucht, mehrere Qubits gleichzeitig zu steuern – ein bisschen wie das Hüten von Katzen, wenn die Katzen subatomar wären und dazu neigten, unerwartet ihre Phase zu verschieben. Der Bau praktischer, großer Quantencomputer erfordert die gleichzeitige Steuerung vieler Qubits bei minimalen Fehlern, was das langjährige „Ja, aber wie?“-Problem des Feldes war.

Forscher am RIKEN Center for Emergent Matter Science und ihre Mitarbeiter haben nun wichtige Fortschritte bei der Lösung dieses Problems erzielt. In einer in Nature Physics veröffentlichten Studie demonstrierte das Team die hochpräzise Steuerung mehrerer gleichzeitig betriebener Silizium-Spin-Qubits. Ihre Experimente verwendeten ein Array aus fünf Qubits, die an eine gemeinsame Mikrowellen-Steuerleitung angeschlossen waren – weil offenbar selbst Quantenbits die Effizienz einer guten gemeinsamen Ressource zu schätzen wissen. Indem sie eine Hauptfehlerursache beim gleichzeitigen Betrieb identifizierten, entwickelten die Wissenschaftler eine Technik, um diese Fehler zu reduzieren und die Präzision aufrechtzuerhalten – was beweist, dass man seine Qubits tatsächlich haben und sie gleichzeitig steuern kann.

Leon Camenzind, ein RIKEN-Forschungswissenschaftler und Co-Erstautor, der die Experimente betreute, erklärte die Bedeutung: „Dies zeigt, dass eine hochpräzise Steuerung auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn mehrere Qubits gleichzeitig betrieben werden, und stellt einen wichtigen Schritt zur Skalierung siliziumbasierter Quantenprozessoren dar.“ Was im Wissenschaftler-Jargon so viel heißt wie „Wir haben es zum Laufen gebracht, und das ist eine große Sache.“

Anders als herkömmliche Computer, die Informationen als Bits speichern, die entweder 0 oder 1 repräsentieren, verwenden Quantencomputer Quantenbits oder Qubits, die in Kombinationen beider Zustände existieren können – warum sich für einen entscheiden, wenn man auf grundlegend nützliche Weise unentschlossen sein kann? Silizium-Spin-Qubits speichern diese Informationen mithilfe des Spins einzelner Elektronen, die in Silizium eingeschlossen sind. Zuverlässige Quantenberechnungen erfordern extrem präzise Kontrolle über diese Elektronenspins, was leichter gesagt als getan ist, wenn man es mit dem Quantenäquivalent eines Raums voller Kleinkinder zu tun hat.

Mikrowellensignale liefern diese Kontrolle, aber der gleichzeitige Betrieb mehrerer Qubits kann unerwünschte Effekte erzeugen, die ihre Genauigkeit beeinträchtigen. Die Forscher führten einen Großteil dieses Problems auf ein Phänomen namens AC-Stark-Verschiebung zurück. Dieser Effekt tritt auf, wenn Mikrowellen-Steuersignale die effektiven Energieniveaus eines Qubits verändern und dadurch Änderungen in der Phase seines Quantenzustands hervorrufen. Diese Phasenverschiebungen können den beabsichtigten Betrieb einzelner Qubits stören, insbesondere wenn mehrere gleichzeitig gesteuert werden – ein klassischer Fall von zu vielen Köchen in der Quantenküche.

Um dem Problem entgegenzuwirken, entwickelte das Team eine Kalibrierungsmethode, die diese unerwünschten Verschiebungen kompensiert. Anstatt jede mögliche Kombination von Qubits separat zu kalibrieren – was ein kombinatorischer Albtraum wäre –, basiert die Technik auf Kalibrierungen zwischen Qubit-Paaren. Dies macht den Ansatz für Systeme mit größeren Anzahlen von Quantenbits praktikabler. „Anstatt für jede mögliche Kombination von Qubits ein völlig separates Kalibrierungsverfahren zu benötigen, verwendet unsere Methode Kalibrierungen zwischen Qubit-Paaren, um die unerwünschten Phasenverschiebungen zu kompensieren“, erklärt Yi-Hsien Wu, der Erstautor, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. Mit anderen Worten: Sie fanden einen Weg, die gleiche mühsame Aufgabe nicht ad infinitum zu wiederholen, was ein Gewinn für die Effizienz und für Wus geistige Gesundheit ist.

Die Forscher kombinierten ihre Kalibrierungstechnik mit einem verbesserten Gerätedesign und sorgfältig abgestimmten Mikrowellen-Steuerpulsen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass selbst bei mehreren Qubits eine außergewöhnlich hohe Genauigkeit aufrechterhalten werden konnte.