Ein neuartiger Resonator liest den Zustand supraleitender Quantenbits mit einer Genauigkeit von über 99 Prozent aus. Dafür arbeitet er mit Millimeterwellen bei 35 Gigahertz und verträgt ein deutlich stärkeres Messsignal als herkömmliche Auslesesysteme. Das könnte einen Engpass künftiger Quantencomputer entschärfen: Die Messung soll möglichst viel Information liefern, ohne den empfindlichen Zustand des Qubits selbst zu verändern.
In einem Quantencomputer reicht es nicht, Rechenoperationen auf einem Chip auszuführen. Das System muss anschließend zuverlässig feststellen, in welchem Zustand sich seine Recheneinheiten befinden. Bei supraleitenden Prozessoren übernehmen Resonatoren diese Aufgabe: Sie koppeln an ein Qubit und verändern ihre elektromagnetische Antwort abhängig davon, ob das Qubit im Grundzustand oder im angeregten Zustand liegt. Ein Messgerät kann diese Verschiebung erfassen, ohne das Qubit direkt zu berühren.
Genau an dieser Stelle entsteht ein physikalischer Zielkonflikt. Ein kräftigeres Messsignal lässt sich leichter vom Hintergrundrauschen unterscheiden und kann die Auslesung beschleunigen. Zu viele Photonen im Resonator können jedoch unbeabsichtigte Übergänge auslösen und damit die gespeicherte Quanteninformation verändern. Akash V. Dixit und Kollegen vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder haben deshalb einen Resonator entwickelt, dessen Frequenz weit oberhalb der Qubitfrequenz liegt. Ihre Ergebnisse beschreiben sie in der Originalarbeit „Millimeter Wave Readout of a Superconducting Qubit“ in Physical Review Letters.
Das Experiment kombiniert einen supraleitenden Transmon mit einem elektromagnetischen Hohlraumresonator. Ein Transmon ist ein verbreiteter Typ supraleitenden Qubits, dessen elektrische Schwingkreise bei extrem tiefen Temperaturen quantisierte Zustände annehmen. Der Resonator bildet dazu eine Art Messkammer: Das Qubit beeinflusst seine Resonanzfrequenz, und diese Änderung trägt die Information über den Zustand nach außen.
Im neuen Aufbau liegen die Frequenzen von Resonator und Qubit ungewöhnlich weit auseinander. Diese große Verstimmung reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass ein starkes Messfeld das Qubit über unerwünschte Resonanzen in einen anderen Zustand versetzt. Der Resonator kann deshalb mit deutlich mehr Energie angeregt werden, während das Qubit seine Information behält. Die Forschenden nutzen damit nicht einfach einen stärkeren Verstärker, sondern verändern die Frequenzarchitektur des Messsystems.
Das ist ein wichtiger Unterschied zur üblichen Auslesung. Dort muss die Messleistung sorgfältig begrenzt werden, weil ein steigender Photonenbestand zwar das Signal verbessert, zugleich aber zusätzliche Übergänge im Qubit begünstigen kann. Ein solcher Messfehler ist besonders problematisch, wenn ein Quantenprozessor mehrere Operationen nacheinander ausführt: Ein unbemerkt veränderter Zustand kann spätere Rechenschritte verfälschen und die Fehlerkorrektur erschweren.
Im Versuch trieben die Wissenschaftler den Resonator mit mehr als 100 Photonen an und bestimmten anschließend den Zustand des gekoppelten Qubits. Die Messung erreichte eine hohe Fidelity. Dieser Wert beschreibt, wie zuverlässig die Auswertung den tatsächlich vorbereiteten Zustand zuordnet. Zugleich registrierte das Team unter dieser Anregung keine resonanten Zustandsübergänge, die das Qubit durch den Messvorgang aus seiner vorgesehenen Ebene herausgebracht hätten.
Die Messfidelität ist dabei nicht mit einer vollständigen Fehlerfreiheit des gesamten Quantencomputers gleichzusetzen. Sie bewertet die Zuordnung bei der Auslesung und sagt allein nichts darüber aus, wie lange ein Qubit seinen Zustand speichert, wie präzise Rechenoperationen funktionieren oder wie gut ein kompletter Prozessor Fehler korrigiert. Gerade deshalb ist der Befund für die Hardwareentwicklung interessant: Er verbessert einen klar abgegrenzten Schritt, der in größeren Systemen millionenfach zuverlässig funktionieren muss.
Besonders bemerkenswert ist, dass die Auslesung ohne einen quantenlimitierten Verstärker gelang. Solche Verstärker werden in vielen supraleitenden Quantensystemen eingesetzt, um extrem schwache Messsignale möglichst rauscharm anzuheben. Sie sind anspruchsvoll in der Herstellung und Integration und benötigen zusätzliche Komponenten im ohnehin komplexen Kryosystem. Wenn die Resonatorarchitektur einen Teil dieser Verstärkertechnik entbehrlich macht, könnte sie den Aufbau vereinfachen. Die Arbeit belegt zunächst den experimentellen Nachweis an einem Qubit und noch keine fertige Lösung für einen großen Prozessor.
Für die Quanteninformatik zählt die Auslesung zu den zentralen Voraussetzungen der Fehlerkorrektur. Ein Prozessor muss regelmäßig prüfen, ob seine logischen Informationen durch Störungen beschädigt wurden. Dafür messen Kontrollschaltungen viele physikalische Qubits, ohne die gespeicherte Information unnötig zu zerstören. Je größer ein Rechner wird, desto wichtiger werden parallele Messungen, kurze Auslesezeiten und eine stabile Trennung zwischen Messsignal und Rechenzustand.
Wie stark die Skalierung bereits von der Kontrolle solcher Fehler abhängt, zeigt auch die Forschung an größeren Prozessorarchitekturen. Eine Simulation eines fehlertoleranten Quantenprozessors mit realistischen Hardwarefehlern verdeutlicht, wie eng Rechenleistung und Fehlerkontrolle zusammenhängen. Die Messung liefert dabei die Daten, aus denen ein Fehlerkorrekturverfahren ableitet, ob ein physikalisches Qubit aus dem vorgesehenen Zustand geraten ist. Unzuverlässige Auslesewerte können die Korrektur selbst fehleranfällig machen.
Ein weiterer Engpass liegt in der technischen Infrastruktur. Supraleitende Qubits benötigen eine Umgebung nahe dem absoluten Nullpunkt, weil thermische Energie sonst die empfindlichen Zustände stört. Leitungen, Filter, Resonatoren und Verstärker müssen in einem eng abgestimmten System zusammenspielen. Jede zusätzliche Komponente beansprucht Platz, erzeugt Wärme oder bringt eigenes Rauschen ein. Eine Messarchitektur, die mit weniger Verstärkertechnik auskommt, wäre deshalb gerade bei dicht gepackten Prozessoren interessant, auch wenn der aktuelle Versuch noch keine vollständige Mehr-Qubit-Anlage demonstriert.
Die Autoren zeigen zunächst, dass die neue Frequenzanordnung bei einem einzelnen Transmon funktioniert. Für einen praktischen Quantencomputer muss das Verfahren mit vielen Qubits, unterschiedlichen Resonatoren und parallel laufenden Messkanälen zusammenspielen. Dabei können sich benachbarte Bauteile gegenseitig beeinflussen; außerdem müssen Signale eindeutig den jeweils zugehörigen Qubits zugeordnet werden. Die Veröffentlichung liefert dafür einen experimentellen Ausgangspunkt, aber noch keine Demonstration eines skalierbaren Auslesesystems.
Auch die Messgenauigkeit allein entscheidet nicht über den Nutzen. Ein künftiger Aufbau muss zeigen, wie schnell die Auslesung erfolgt, wie stabil die Ergebnisse über lange Betriebszeiten bleiben und ob die Qubits nach der Messung zuverlässig für weitere Rechenschritte verfügbar sind. Für Fehlerkorrektur zählt zudem, dass die Messung nicht nur bei einem sorgfältig eingestellten Einzelbauteil funktioniert, sondern unter den wechselnden Bedingungen eines komplexen Prozessors reproduzierbar bleibt. Eine andere aktuelle Arbeit zur Fehlerkontrolle logischer Qubits zeigt, wie stark die Entwicklung leistungsfähiger Quantenrechner bereits von zuverlässigen Mess- und Korrekturverfahren geprägt wird.
Millimeterwellen könnten über die reine Qubit-Auslesung hinaus eine Schnittstelle zwischen unterschiedlichen Quantensystemen bilden. Die Forschenden nennen als mögliche Partner unter anderem Rydberg-Atome und optomechanische Systeme, die ebenfalls mit hohen elektromagnetischen Frequenzen arbeiten können. Ob sich solche Plattformen tatsächlich über gemeinsame Mess- und Übertragungskomponenten koppeln lassen, muss in weiteren Experimenten geprüft werden. Damit rückt neben der nächsten Generation supraleitender Prozessoren auch die Frage in den Blick, wie künftig verschiedene Quantentechnologien miteinander kommunizieren.
Akash V. Dixit et al., Millimeter Wave Readout of a Superconducting Qubit, Physical Review Letters; doi:10.1103/c84y-ggqs
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
