Towards quantum error correction with two-body gates for quantum registers based on nitrogen-vacancy centers in diamond

Auf der Suche nach dem Bau einer Maschine, die Probleme lösen kann, die jenseits der Reichweite heutiger Supercomputer liegen, richten Wissenschaftler ihren Blick auf die kleinsten Bausteine der Natur: einzelne Atome und die Teilchen in ihnen. Diese winzigen Systeme, bekannt als Qubits, können gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, was einen potenziellen Sprung in der Rechenleistung bietet. Diese fragilen Zustände werden jedoch durch die kleinste Berührung von Wärme oder Vibration aus ihrer Umgebung leicht gestört, was dazu führt, dass die Informationen, die sie halten, verschwinden, bevor eine Berechnung abgeschlossen werden kann. Um dies zu überwinden, erforschen Forscher einen speziellen Typ von Defekt, der in Diamanten vorkommt, bei dem ein fehlendes Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt wird. Dieses „Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum“ (Nitrogen-Vacancy Center) fungiert als stabiler Anker für Quanteninformationen, umgeben von benachbarten Kohlenstoffatomen, die über ihre eigenen magnetischen Spins verfügen. Diese umgebenden Spins können als zusätzliche Speichereinheiten dienen und so ein kleines Quantenregister bilden. Die Herausforderung besteht darin, diese Einheiten zu verbinden, ohne die empfindlichen Informationen zu stören, die sie halten; dies erfordert eine Methode, um präzise Operationen durchzuführen, die schnell genug sind, um abgeschlossen zu werden, bevor die Umgebung die Daten zerstört, aber gleichzeitig sanft genug, um keine neuen Fehler einzuführen.

Einem Team von Forschern der Universität Ulm ist es gelungen, einen neuen Weg zu entwickeln, um dieses empfindliche Gleichgewicht zu steuern, indem sie eine Methode zur Durchführung hochwertiger Verbindungen zwischen dem zentralen Diamantdefekt und seinen benachbarten Kohlenstoffatomen schufen. In ihrer Arbeit konzentrierten sie sich auf eine spezifische Art von Operation, die als Zwei-Körper-Gatter bezeichnet wird, welches es dem zentralen Elektronenspin ermöglicht, mit einem gezielten Kernspin zu interagieren, während andere in der Nähe ignoriert werden. Die Schwierigkeit bei dieser Aufgabe liegt darin, dass die Kohlenstoffatome im Diamanten so nah beieinander liegen, dass sich ihre magnetischen Signaturen überschneiden, was es schwierig macht, genau eines davon auszuwählen, mit dem man arbeiten soll. Traditionelle Methoden zur Isolierung eines einzelnen Atoms erfordern lange Sequenzen von Kontrollimpulsen, aber je länger die Sequenz dauert, desto wahrscheinlicher ist es, dass das System seinen Quantenzustand durch Umgebungsrauschen verliert. Die Forscher fanden einen Weg, diese Sequenzen zu verkürzen, ohne die Genauigkeit zu opfern, indem sie eine Technik namens adaptive dynamische Entkopplung (adaptive dynamical decoupling) anwandten. Dieser Ansatz beinhaltet die sorgfältige Anpassung der Zeitplanung und des Abstands von Mikrowellenimpulsen, um die Wechselwirkung zu formen, wodurch unerwünschte Signale effektiv herausgefiltert und der Fokus auf das spezifische Atom, das sie kontrollieren wollen, geschärft wird.

Das Team demonstrierte, dass sie durch die Abstimmung dieser Pulssequenzen einen „Sweet Spot“ in der Zeit finden konnten, an dem die Operation sowohl schnell als auch hochpräzise ist. Sie zeigten, dass es möglich ist, ein Präzisionsniveau zu erreichen, bei dem die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers weniger als eins zu tausend beträgt – ein Schwellenwert, der für zuverlässiges Quantencomputing notwendig ist. Dies wurde dadurch erreicht, dass sie die Tatsache ausnutzten, dass bestimmte Fehler im System zu spezifischen Zeitpunkten natürlich zu sich selbst auslöschen. Indem sie den exakten Moment wählten, um die Operation zu stoppen, konnten die Forscher diese Fehler eliminieren, ohne die Sequenz über eine übermäßig lange Dauer ausführen zu müssen. Diese Methode erlaubt es ihnen, den üblichen Zielkonflikt zu umgehen, bei dem schnellere Operationen weniger genau sind, und bietet somit einen Weg, die notwendigen Schritte für das Quantencomputing mit einer Geschwindigkeit auszuführen, die das System vor Dekohärenz schützt.

Um zu beweisen, dass diese optimierten Gatter für reale Anwendungen nützlich sind, nutzten die Forscher sie zum Aufbau eines grundlegenden Fehlerkorrektursystems. In diesem Aufbau wurden der zentrale Diamantdefekt und zwei benachbarte Kohlenstoffspins so angeordnet, dass sie ein einzelnes Stück Quanteninformation vor einer spezifischen Art von Korruption schützen, die als Phasenfehler bekannt ist. Diese Art von Fehler ist vergleichbar mit einer subtilen Verschiebung in der Zeitmessung einer Uhr, die dazu führt, dass die Information vom Kurs abkommt. Das Team entwickelte ein Protokoll, bei dem die Information über die drei Spins kodiert wird, was es dem System ermöglicht, zu erkennen, ob eine Verschiebung aufgetreten ist, und diese automatisch zu korrigieren. Ihre Simulationen zeigten, dass dieses System selbst mit den Unvollkommenheiten, die in realen Kontrollsignalen inhärent sind, die ursprüngliche Information mehr als 98,5 Prozent der Zeit erfolgreich wiederherstellen konnte, selbst wenn die Fehlerrate relativ hoch war. Dieses Ergebnis blieb auch unter Berücksichtigung der natürlichen Relaxation des Elektronenspins bestehen – ein Prozess, bei dem das System langsam Energie an seine Umgebung abgibt, was selbst bei Temperaturen von bis zu 77 Kelvin geschehen kann.

Die Bedeutung dieser Arbeit erstreckt sich über den unmittelbaren Erfolg des Fehlerkorrektur-Codes hinaus. Die Forscher lieferten ein klares analytisches Werkzeug, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die optimale Zeitplanung für diese Operationen zu bestimmen, ohne unzählige zeitaufwendige Experimente durchführen zu müssen, um jede Möglichkeit zu testen. Dies ist entscheidend, wenn Quantensysteme größer werden, da das manuelle Testen jedes Parameters für ein System mit vielen Atomen unmöglich wäre. Durch die Verwendung ihrer Methode zur Vorhersage der besten Sequenzparameter können Forscher größere, komplexere Quantenregister mit Zuversicht entwerfen. Der Artikel merkt zudem an, dass ihr aktueller Ansatz feste Puls-Muster verwendet, zukünftige Verbesserungen jedoch darin bestehen könnten, die Stärke der Wechselwirkung über die Zeit kontinuierlich zu variieren, was in dicht besiedelten Umgebungen, in denen viele Atome eng beieinander liegen, eine noch bessere Leistung bieten könnte. Letztendlich bietet diese Arbeit einen praktischen Weg nach vorn, um robuste Quantencomputer auf Basis von Diamantdefekten aufzubauen und damit eine theoretische Möglichkeit in eine greifbare technische Realität zu verwandeln.