Silicium-spinqubits zijn al lang de veelbelovende overpresteerders van quantumcomputing: ze kunnen worden vervaardigd met dezelfde halfgeleidermethoden die de computerchips van vandaag produceren, wat het technologische equivalent is van opdagen op een galafeest in een pak dat je al bezit. De addertje onder het gras is natuurlijk dat wanneer je meerdere qubits tegelijk probeert te besturen, hun bewerkingen minder nauwkeurig worden - een beetje zoals katten hoeden, als de katten subatomair waren en de neiging hadden onverwacht van fase te verschuiven. Het bouwen van praktische, grootschalige quantumcomputers vereist het gelijktijdig besturen van vele qubits terwijl fouten tot een minimum worden beperkt, wat het langdurige "ja, maar hoe?"-probleem van het vakgebied is geweest.

Onderzoekers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en hun medewerkers hebben nu belangrijke vooruitgang geboekt bij het oplossen hiervan. In een studie gepubliceerd in Nature Physics demonstreerde het team zeer nauwkeurige controle over meerdere silicium-spinqubits die gelijktijdig werkten. Hun experimenten gebruikten een array van vijf qubits verbonden met een gedeelde microgolfbesturingslijn - omdat blijkbaar zelfs quantumbits de efficiëntie van een goede gedeelde bron waarderen. Door een belangrijke oorzaak van fouten tijdens gelijktijdige werking te identificeren, ontwikkelden de wetenschappers een techniek om die fouten te verminderen en precisie te behouden, waarmee ze bewezen dat je je qubits kunt hebben en ze ook kunt besturen.

Leon Camenzind, een RIKEN-onderzoekswetenschapper en co-eerste auteur die de experimenten superviseerde, legde de betekenis uit: "Dit toont aan dat hoogwaardige controle behouden kan blijven, zelfs wanneer meerdere qubits tegelijkertijd worden bediend, en vertegenwoordigt een belangrijke stap naar het opschalen van silicium-gebaseerde quantumprocessors." Wat in wetenschapstaal betekent: "we hebben het laten werken, en dat is een grote zaak."

In tegenstelling tot conventionele computers, die informatie opslaan als bits die ofwel 0 of 1 vertegenwoordigen, gebruiken quantumcomputers quantumbits, of qubits, die in combinaties van beide toestanden kunnen bestaan - want waarom zou je één kiezen als je op een fundamenteel nuttige manier besluiteloos kunt zijn? Silicium-spinqubits slaan deze informatie op met behulp van de spin van individuele elektronen die in silicium zijn opgesloten. Het uitvoeren van betrouwbare quantumberekeningen vereist uiterst nauwkeurige controle over deze elektronenspins, wat gemakkelijker gezegd dan gedaan is wanneer je te maken hebt met het quantum-equivalent van een kamer vol peuters.

Microgolfsignalen bieden die controle, maar het gelijktijdig bedienen van meerdere qubits kan ongewenste effecten creëren die hun nauwkeurigheid verstoren. De onderzoekers herleidden veel van dit probleem tot een fenomeen dat de AC Stark-verschuiving wordt genoemd. Dit effect treedt op wanneer microgolfbesturingssignalen de effectieve energieniveaus van een qubit veranderen, waardoor veranderingen in de fase van zijn quantumtoestand ontstaan. Die faseverschuivingen kunnen de beoogde werking van individuele qubits verstoren, vooral wanneer er meerdere tegelijk worden bestuurd - een klassiek geval van te veel koks in de quantumkeuken.

Om het probleem tegen te gaan, creëerde het team een kalibratiemethode die deze ongewenste verschuivingen compenseert. In plaats van elke mogelijke combinatie van qubits afzonderlijk te kalibreren - wat een combinatorische nachtmerrie zou zijn - vertrouwt de techniek op kalibraties tussen paren qubits. Dit maakt de aanpak praktischer voor systemen met grotere aantallen quantumbits. "In plaats van een volledig afzonderlijke kalibratieprocedure voor elke mogelijke combinatie van qubits te vereisen, gebruikt onze methode kalibraties tussen paren qubits om de ongewenste faseverschuivingen te compenseren," legt Yi-Hsien Wu uit, de eerste auteur die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn promotieonderzoek. Met andere woorden, ze vonden een manier om te voorkomen dat ze dezelfde vervelende taak ad infinitum moesten doen, wat een overwinning is voor de efficiëntie en voor Wu's geestelijke gezondheid.

De onderzoekers combineerden hun kalibratietechniek met een verbeterd apparaatontwerp en zorgvuldig afgestelde microgolfbesturingspulsen. Hun resultaten toonden aan dat uitzonderlijk hoge nauwkeurigheid behouden kon blijven, zelfs wanneer meerdere qubit