Kippschalter reduziert Rauschen in Quantencomputern

Ein Wissenschaftlerteam des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) hat ein Gerät vorgestellt, das das Rauschen in Quantencomputern reduziert.

Ein „Kippschalter“-Gerät verbindet zwei supraleitende Qubits mit einer Schaltung, die als „Ausleseresonator“ bezeichnet wird und die Ausgabe der Berechnungen der Qubits lesen kann.

Dieser Kippschalter kann in verschiedene Zustände umgelegt werden, um die Stärke der Verbindungen zwischen den Qubits und dem Ausleseresonator anzupassen.

Im ausgeschalteten Zustand sind alle drei Elemente voneinander isoliert.

Wenn der Schalter umgelegt wird, um die beiden Qubits zu verbinden, können sie interagieren und Berechnungen durchführen.

Sobald die Berechnungen abgeschlossen sind, kann der Kippschalter eines der Qubits und den Ausleseresonator verbinden, um die Ergebnisse abzurufen.

Ein programmierbarer Kippschalter trägt erheblich zur Reduzierung von Rauschen bei, einem häufigen Problem in Quantencomputerschaltungen, das es Qubits erschwert, Berechnungen durchzuführen und ihre Ergebnisse klar darzustellen.

Das Foto zeigt den zentralen Arbeitsbereich des Gerätes. Im unteren Bereich stellen die drei großen Rechtecke (hellblau) rechts und links die beiden Quantenbits oder Qubits sowie den Resonator in der Mitte dar. Im oberen, vergrößerten Abschnitt induziert das Treiben von Mikrowellen durch die Antenne (großes dunkelblaues Rechteck unten) ein Magnetfeld in der SQUID-Schleife (kleineres weißes Quadrat in der Mitte, dessen Seiten etwa 20 Mikrometer lang sind). Das Magnetfeld aktiviert den Kippschalter. Die Frequenz und Stärke der Mikrowellen bestimmen die Position des Schalters und die Stärke der Verbindung zwischen den Qubits und dem Resonator. Bildnachweis: K. Cicak und R. Simmond

„Das Ziel besteht darin, die Qubits bei Laune zu halten, damit sie ohne Ablenkungen rechnen können und sie gleichzeitig auslesen können, wenn wir wollen“, sagte Ray Simmonds, ein NIST-Physiker und einer der Autoren des Papiers. „Diese Gerätearchitektur trägt zum Schutz der Qubits bei und verspricht, unsere Fähigkeit zu verbessern, die hochgenauen Messungen durchzuführen, die für den Bau von Quanteninformationsprozessoren aus Qubits erforderlich sind.“

Zum Team gehören außerdem Wissenschaftler der University of Massachusetts Lowell, der University of Colorado Boulder und Raytheon BBN Technologies.

Eines der Probleme, mit denen Entwickler von Quantencomputern konfrontiert sind, besteht darin, dass Quantenschaltkreise durch externes oder sogar internes Rauschen herumgeschleudert werden, das durch Defekte in den Materialien entsteht, aus denen die Computer hergestellt werden.

Bei diesem Rauschen handelt es sich im Wesentlichen um zufälliges Verhalten, das zu Fehlern bei Qubit-Berechnungen führen kann.

Heutige Qubits sind von Natur aus verrauscht, aber das ist nicht das einzige Problem. Viele Quantencomputerdesigns verfügen über eine sogenannte statische Architektur, bei der jedes Qubit im Prozessor physisch mit seinen Nachbarn und seinem Ausleseresonator verbunden ist.

Die hergestellte Verkabelung, die Qubits miteinander und mit ihrer Auslesung verbindet, kann sie noch mehr Rauschen aussetzen.

Solche statischen Architekturen haben einen weiteren Nachteil: Sie können nicht einfach umprogrammiert werden. Die Qubits einer statischen Architektur könnten einige verwandte Aufgaben erledigen, aber damit der Computer ein breiteres Aufgabenspektrum ausführen kann, müsste er ein anderes Prozessordesign mit einer anderen Qubit-Organisation oder einem anderen Layout einbauen.

(Stellen Sie sich vor, Sie tauschen den Chip in Ihrem Laptop jedes Mal aus, wenn Sie eine andere Software verwenden müssen, und bedenken Sie dann, dass der Chip ein wenig über dem absoluten Nullpunkt gehalten werden muss, und Sie verstehen, warum sich das als unpraktisch erweisen könnte.)

Der programmierbare Kippschalter des Teams umgeht diese beiden Probleme. Erstens verhindert es, dass Schaltungsrauschen durch den Ausleseresonator in das System eindringt, und verhindert, dass die Qubits miteinander kommunizieren, wenn sie eigentlich ruhig sein sollen.

„Dadurch wird eine wichtige Rauschquelle in einem Quantencomputer reduziert“, sagte Simmonds.

Zweitens wird das Öffnen und Schließen der Schalter zwischen den Elementen durch eine Reihe von Mikrowellenimpulsen gesteuert, die aus der Ferne gesendet werden, und nicht durch die physischen Verbindungen einer statischen Architektur. Die Integration weiterer dieser Kippschalter könnte die Grundlage für einen einfacher programmierbaren Quantencomputer sein.

Die Mikrowellenimpulse können auch die Reihenfolge und Abfolge logischer Operationen festlegen, was bedeutet, dass ein Chip, der mit vielen Kippschaltern des Teams ausgestattet ist, angewiesen werden könnte, eine beliebige Anzahl von Aufgaben auszuführen.

„Dadurch wird der Chip programmierbar“, sagte Simmonds. „Anstatt eine völlig feste Architektur auf dem Chip zu haben, können Sie Änderungen per Software vornehmen.“

Ein letzter Vorteil besteht darin, dass der Kippschalter auch die Messung beider Qubits gleichzeitig einschalten kann. Diese Fähigkeit, beide Qubits aufzufordern, sich als Paar zu offenbaren, ist wichtig, um Fehler in der Quantenberechnung aufzuspüren.

Die Qubits in dieser Demonstration sowie der Kippschalter und die Ausleseschaltung bestanden alle aus supraleitenden Komponenten, die Strom ohne Widerstand leiten und bei sehr kalten Temperaturen betrieben werden müssen.

Der Kippschalter selbst besteht aus einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät oder „SQUID“, das sehr empfindlich auf Magnetfelder reagiert, die durch seine Schleife laufen.

Das Antreiben eines Mikrowellenstroms durch eine nahegelegene Antennenschleife kann bei Bedarf Wechselwirkungen zwischen den Qubits und dem Ausleseresonator induzieren.

Zu diesem Zeitpunkt hat das Team nur mit zwei Qubits und einem einzelnen Ausleseresonator gearbeitet, aber Simmonds sagte, dass sie einen Entwurf mit drei Qubits und einem Ausleseresonator vorbereiten und planen, auch weitere Qubits und Resonatoren hinzuzufügen.

Weitere Forschung könnte Erkenntnisse darüber liefern, wie viele dieser Geräte aneinandergereiht werden können, und möglicherweise eine Möglichkeit bieten, einen leistungsstarken Quantencomputer mit genügend Qubits zu konstruieren, um die Art von Problemen zu lösen, die derzeit unüberwindbar sind.