Engineering two-qubit gates via anisotropic exchange in germanium spin qubits

Auf der Suche nach dem Bau eines Quantencomputers suchen Wissenschaftler nach winzigen, steuerbaren Systemen, die in der Lage sind, Informationen in einem Zustand der Superposition zu halten, also gleichzeitig in mehreren Möglichkeiten existieren zu können. Ein vielversprechender Kandidat für diese Rolle ist der „Spin“ eines einzelnen Teilchens, das in einem Halbleiterchip gefangen ist. Stellen Sie sich einen winzigen Magneten vor, so groß wie ein Atom, der nach oben oder unten zeigen kann oder sogar eine Mischung aus beidem. In den letzten Jahren haben Forscher herausgefunden, dass die Verwendung von „Löchern“ – dem Fehlen eines Elektrons in einem Kristallgitter – innerhalb von Germanium-Chips einzigartige Vorteile bietet. Diese Löcher interagieren stark mit ihrer Umgebung auf eine Weise, die es Wissenschaftlern ermöglicht, sie mit Elektrizität statt nur mit Magnetfeldern zu steuern, was sie schnell und potenziell leichter handhabbar macht. Damit ein Quantencomputer jedoch komplexe Probleme lösen kann, müssen diese einzelnen Teilchen in der Lage sein, miteinander zu kommunizieren, Informationen auszutauschen oder gegenseitig ihre Zustände zu verändern. Dieses Gespräch wird durch eine Kraft vermittelt, die als Austauschwechselwirkung bezeichnet wird, die normalerweise wie ein einfacher, gleichmäßiger Handschlag zwischen zwei Nachbarn wirkt. Aber in dem Germanium-System sind die Regeln dieses Handschlags weita viel komplizierter und interessanter als bisher angenommen.

Ein Team von Forschern bei IBM Research Europe hat nun genau kartiert, wie dieser Dialog zwischen zwei Loch-Spins in einem Germanium-Chip abläuft. Sie entdeckten, dass die Wechselwirkung keine einfache, gleichmäßige Kraft ist, sondern eine komplexe, richtungsabhängige Kraft, die sich ändert, je nachdem, wie das Magnetfeld ausgerichtet ist. Durch eine sorgfältige Anpassung der Richtung des Magnetfeldes fanden sie heraus, dass sie die Wechselwirkung ein- und ausschalten und sogar ihre Natur umkehren konnten. In einem Standardaufbau würden zwei Quantenbits auf eine feste Weise interagieren, was die Arten der Operationen, die sie ausführen können, einschränkt. Hier zeigten die Forscher, dass sie durch einfaches Drehen des Magnetfeldes die Wechselwirkung von einem positiven Wert über Null zu einem negativen Wert abstimmen konnten. Diese Fähigkeit, das Vorzeichen der Wechselwirkung umzukehren, ist ein seltener und mächtiger Werkzeug, das ein Maß an Kontrolle ermöglicht, das mit diesen Materialien zuvor unmöglich war.

Das Team arbeitete mit einer Vorrichtung, die zwei winzige Fallen enthält, sogenannte Quantenpunkte, in denen jeweils ein einzelner Loch-Spin gefangen ist. Sie platzierten diese Vorrichtung in einem Magnetfeld und nutzten eine Technik namens Spektroskopie, um der „Stimme“ der Spins zuzuhören. Durch Messung der Frequenz, mit der die Spins umklappten, konnten sie die Stärke und Richtung der Kraft ableiten, die sie verbindet. Sie fanden heraus, dass sich diese Kraft in zwei unterschiedliche Teile aufspaltet: einen, der wie ein Drücken oder Ziehen entlang einer bestimmten Linie wirkt, und einen anderen, der wie ein seitliches Vertauschen wirkt. Die Forscher kartierten, wie sich diese beiden Teile veränderten, während sie das Magnetfeld im dreidimensionalen Raum rotierten. Sie beobachteten, dass der „Drücken-oder-Ziehen“-Teil vollständig verschwinden und dann mit der entgegengesetzten Wirkung wieder auftauchen konnte. Das bedeutet, dass die Spins bei einem bestimmten Winkel die Energieniveaus der anderen auf die übliche Weise nicht mehr beeinflussen, während der „seitliche Vertausch“-Teil aktiv bleibt.

Diese Entdeckung ermöglichte es den Wissenschaftlern, einen spezifischen Typ von Quantengatter zu entwickeln, einen grundlegenden Baustein für die Quantenlogik. Indem sie das Magnetfeld auf den präzisen Winkel ausrichteten, bei dem die Drücken-oder-Ziehen-Wechselwirkung verschwand, blieb ihnen nur noch die seitliche Vertauschkraft. Sie wandten dann einen einzelnen, kurzen elektrischen Impuls auf den Chip an, der die beiden Spins dazu brachte, ihre Zustände perfekt zu vertauschen. Diese Operation, bekannt als iSWAP-Gate, ist ein entscheidender Schritt für das Quantencomputing, aber sie ist in Systemen, in denen die Wechselwirkung fest und isotrop ist, notorisch schwierig zu erreichen. In diesem Germanium-System erreichten die Forscher dieses Gate in nur 56 Nanosekunden. Sie verifizierten den Erfolg der Operation, indem sie den Zustand der Spins vor und nach dem Impuls maßen und bestätigten, dass die beiden Teilchen tatsächlich ihre Informationen mit hoher Genauigkeit ausgetauscht hatten.

Die Studie zeigte auch, dass das Verhalten dieser Spins tief mit der Form der magnetischen Antwort des Materials selbst, bekannt als g-Tensor, verknüpft ist. Die Forscher maßen diese Form für jeden einzelnen Spin und fanden heraus, dass deren leichte Fehlausrichtung der Schlüssel zur Erzeugung der richtungsabhängigen Wechselwirkung war. Da die beiden Spins auf das Magnetfeld in leicht unterschiedlichen Richtungen reagierten, wurde die Kraft zwischen ihnen anisotrop, was bedeutet, dass sie vom Winkel des Feldes abhängt. Dieser Befund legt nahe, dass die Geometrie des Materials nicht nur ein Hintergrunddetail ist, sondern ein primärer Kontrollknopf für Quantenoperationen. Das Team maß die Stabilität der Spins und stellte fest, dass sie ihren Quantenzustand über 21 Mikrosekunden lang aufrechterhalten konnten, eine Dauer, die zu den besten für diese Art von System berichteten Werten gehört.

Obwohl das Experiment ein High-Fidelity-Gate demonstrierte, stellten die Forscher fest, dass die Leistung durch die Schwierigkeit begrenzt wurde, den Zustand der Spins bei diesem spezifischen Magnetwinkel auszulesen, und nicht durch einen Fehler im Gate-Mechanismus selbst. Die Studie liefert einen klaren Bauplan dafür, wie man Quantenwechselwirkungen nicht durch die Änderung der Hardware manipuliert, sondern durch einfaches Drehen an einem magnetischen Regler. Dieser Ansatz bietet einen neuen Weg für den Bau von Quantencomputern, bei denen die Logikgatter durch die Ausrichtung eines globalen Feldes definiert werden, anstatt durch komplexe, individuelle Verkabelung für jede einzelne Operation. Die Fähigkeit, die Wechselwirkung von positiv zu negativ abzustimmen und spezifische Arten von Quantenbewegungen zu isolieren, öffnet die Tür zur Simulation komplexer physikalischer Systeme und zur Durchführung von Berechnungen, die zuvor unerreichbar waren. Durch das Verständnis und die Nutzung dieser richtungsabhängigen Kräfte haben die Forscher gezeigt, dass Germanium eine vielseitige Plattform ist, die in der Lage ist, die nächste Generation von Quantenhardware zu unterstützen.