Qubit-Transistoren erreichen Benchmark bei der Fehlerkorrektur

Ein australisches Team hat kürzlich einen großen Durchbruch auf dem Gebiet der Quantencomputer mit Metalloxid-Halbleitern (oder MOS) erzielt. Es zeigte sich, dass ihre Zwei-Qubit-Gatter (logische Operationen mit mehr als einem Quantenbit oder Qubit) in 99 % der Fälle fehlerfrei arbeiten. Diese Zahl ist wichtig, weil sie die notwendige Grundlage für die Durchführung einer Fehlerkorrektur liefert, die für den Bau eines Quantencomputers im großen Maßstab als notwendig erachtet wird. Darüber hinaus sind diese MOS-basierten Quantencomputer mit der bestehenden CMOS-Technologie kompatibel, was die Herstellung einer großen Anzahl von Qubits auf einem einzigen Chip einfacher macht als mit anderen Techniken.

„Über 99 % zu kommen ist wichtig, weil viele es als Schwelle für die Fehlerkorrektur betrachten, in dem Sinne, dass es keine Rolle spielt, was man bezüglich der Fehlerkorrektur tut, wenn die Wiedergabetreue unter 99 % liegt.“ Yuval Boger, CCO des Quantencomputerunternehmens QuEra, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Man wird Fehler nie schneller korrigieren, als sie sich anhäufen. »

Viele Plattformen konkurrieren um den Bau eines effizienten Quantencomputers. IBM, Google und andere bauen ihre Maschinen aus supraleitenden Qubits. Quantinuum und IonQ verwenden einzeln eingefangene Ionen. QuEra und Atom Computing nutzen neutral geladene Atome. Xanadu und PsiQuantum basieren auf Photonen. Die Liste ist lang.

Im Rahmen dieser neuen Zusammenarbeit haben die University of New South Wales (UNSW) und das in Sydney ansässige Start-up Diraq mit Mitwirkenden aus Japan, Deutschland, Kanada und den Vereinigten Staaten einen anderen Ansatz gewählt: das Einfangen einzelner Elektronen in MOS-Bauelementen. „Wir versuchen, Qubits herzustellen, die herkömmlichen Transistoren so nahe wie möglich kommen“, sagt Tuomo Tanttu, ein UNSW-Forscher, der die Bemühungen leitete.

Qubits, die wie Transistoren funktionieren

Tatsächlich sind diese Qubits einem klassischen Transistor sehr ähnlich, dessen Kanal geschlossen ist, sodass nur ein Elektron vorhanden ist. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er mit herkömmlichen CMOS-Technologien hergestellt werden kann, was theoretisch die Skalierung von Millionen von Qubits auf einem einzigen Chip ermöglicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass MOS-Qubits mit Standardtransistoren auf dem Chip integriert werden können, um Eingabe, Ausgabe und Steuerung zu vereinfachen, sagt Andrew Dzurak, CEO von Diraq.

Der Nachteil dieses Ansatzes besteht jedoch darin, dass MOS-Qubits in der Vergangenheit unter der Variabilität von Gerät zu Gerät gelitten haben, was zu erheblichem Rauschen auf den Qubits führte.

„Die Sensibilität in [MOS] „Qubits werden zahlreicher sein als Transistoren, denn in Transistoren gibt es immer 20, 30, 40 Elektronen, die den Strom transportieren. In einem Qubit-Gerät gibt es tatsächlich nur ein Elektron“, sagt Ravi Pillarisetty, Chefgeräteingenieur für Intels Quantenhardware, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Die vom Team erzielten Ergebnisse zeigten nicht nur die 99-prozentige Genauigkeit der Zwei-Qubit-Gates der getesteten Geräte, sondern lieferten auch ein besseres Verständnis der Ursachen der Variabilität von einem Gerät zum anderen. Das Team testete drei Geräte mit jeweils drei Qubits. Neben der Messung der Fehlerquote führte sie auch umfangreiche Studien durch, um die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu identifizieren, die zum Rauschen beitragen.

Die Forscher fanden heraus, dass eine Rauschquelle isotopische Verunreinigungen in der Siliziumschicht waren, die, wenn sie kontrolliert wurden, die für den Betrieb des Geräts erforderliche Schaltungskomplexität erheblich reduzierten. Die zweite Hauptursache für das Rauschen waren kleine Schwankungen der elektrischen Felder, die wahrscheinlich auf Unvollkommenheiten in der Oxidschicht des Geräts zurückzuführen waren. Laut Tanttu sollte sich dies verbessern, wenn man von einem Labor-Reinraum in eine Gießereiumgebung wechselt.

„Das ist ein hervorragendes Ergebnis und ein großer Fortschritt. Und ich denke, das gibt der Community die richtige Richtung, wenn es darum geht, über ein einzelnes Gerät nachzudenken oder etwas auf einem einzelnen Gerät zu demonstrieren, anstatt längerfristig über den Evolutionspfad nachzudenken“, sagt Pillarisetty.

Die Herausforderung besteht nun darin, diese Geräte auf mehr Qubits zu skalieren. Eine der Schwierigkeiten dieser Entwicklung ist die Anzahl der erforderlichen Ein-/Ausgabekanäle. Das Quantenteam von Intel, das an einer ähnlichen Technologie arbeitet, hat kürzlich einen Chip namens Pando Tree entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Pando Tree wird auf dem gleichen Substrat wie der Quantenprozessor installiert, was schnellere Ein- und Ausgaben für die Qubits ermöglicht. Das Intel-Team hofft, damit diese Geräte auf Tausende von Qubits skalieren zu können. „Ein großer Teil unseres Ansatzes besteht darin, darüber nachzudenken, wie wir unseren Qubit-Prozessor mehr zu einem modernen Prozessor machen können“, sagt Pillarisetty.

In ähnlicher Weise sagte Diraq-CEO Dzurak, sein Team plane, seine Technologie in naher Zukunft durch eine kürzlich angekündigte Partnerschaft mit Global Foundries auf Tausende von Qubits zu skalieren. „Mit Global Foundries haben wir einen Chip entwickelt, der Tausende dieser Qubits enthalten wird. [MOS qubits]„Und diese werden über klassische Transistorschaltungen, die wir entworfen haben, miteinander verbunden. „Das ist ein Novum in der Welt des Quantencomputings“, sagt Dzurak.