Low-leakage superconducting-qubit measurement with sub-100-ns total duration

In der Welt des Quantencomputings besteht das Gehirn der Maschine aus winzigen Schaltkreisen, die gleichzeitig in zwei Zuständen existieren können – eine Eigenschaft, die es ihnen ermöglicht, Probleme zu lösen, die für gewöhnliche Computer unmöglich sind. Diese Schaltkreise sind jedoch unglaublich zerbrechlich. Um sie zu nutzen, müssen Wissenschaftler ihren Zustand ständig überprüfen, ein Prozess, der als Messung bezeichnet wird, um sicherzustellen, dass sie korrekt funktionieren und um Fehler zu korrigieren, bevor sie sich ausbreiten. Diese Überprüfung muss unglaublich schnell und präzise sein, denn in dem Moment, in dem ein Schaltkreis ungenutzt bleibt, während er auf eine Messung wartet, beginnt er, seine empfindlichen Quanteninformationen zu verlieren. Jahrelang war ein großer Engpass beim Bau dieser leistungsstarken Maschinen darin begründet, dass das Auslesen des Zustands eines Schaltkreises langsamer und fehleranfälliger ist als die Operationen, die ihn manipulieren. Wenn der Leseprozess zu langsam ist, verblasst die Information; wenn er zu aggressiv ist, kann der Akt des Beobachtens den Schaltkreis bereits vollständig aus seinem beabsichtigten Zustand werfen.

Einem Forscherteam am RIKEN Center for Quantum Computing in Japan ist es nun gelungen, eine Methode zu demonstrieren, um den Zustand eines supraleitenden Schaltkreises mit beispielloser Geschwindigkeit und Sanftheit auszulesen. Es gelang ihnen, eine vollständige Messung in weniger als einhundert Nanosekunden abzuschließen – ein Zeitrahmen, der so kurz ist, dass er in Milliardstel von Sekunden gemessen wird.ت Wichtiger noch: Sie erreichten dies, ohne den Schaltkreis zu stören oder ihn in unerwünschte, hochenergetische Zustände „leaken“ zu lassen, was die Berechnung ruinieren würde. Durch die sorgfältige Abstimmung der Wechselwirkung zwischen dem Schaltkreis und einem spezialisierten Filter bewies das Team, dass es möglich ist, Quanteninformationen schnell und genau auszulesn, selbst wenn die Komponenten in ihrer Frequenz sehr nah beieinander liegen – ein Zustand, der zuvor als zu riskant für Hochgeschwindigkeitsoperationen galt.

Die Forscher konzentrierten sich auf einen speziellen Typ von Quantenschaltkreis, bekannt als Transmon, der ein Standardbaustein in vielen modernen Quantenprozessoren ist. Um den Zustand dieses Schaltkreises zu messen, verwendeten sie eine Technik namens dispersiver Auslese. Stellen Sie sich vor, der Schaltkreis ist mit einem Resonator verbunden, einer kleinen Kammer, die elektromagnetische Wellen halten kann, ähnlich wie eine Gitarrensaiten einen bestimmten Ton hält. Wenn der Schaltkreis in einem Zustand ist, verändert er die Tonhöhe des Resonators leicht; wenn er im anderen Zustand ist, verändert sich die Tonhöhe anders. Indem man ein Signal in diesen Resonator sendet und darauf hört, wie es zurückgeworfen wird, können Wissenschaftler erkennen, in welchem Zustand sich der Schaltkreis befindet. Die Herausforderung bestand bisher immer darin, Geschwindigkeit mit Sicherheit in Einklang zu bringen. Um ein klares Signal schnell zu erhalten, benötigt man eine starke Verbindung zwischen dem Schaltkreis und dem Resonator, aber eine starke Verbindung kann auch dazu führen, dass der Schaltkreis Energie verliert oder in den falschen Zustand springt.

In dieser neuen Arbeit führte das Team einen dedizierten Filter-Resonator in den Aufbau ein. Dieser Filter fungiert als Torwächter, der das Messsignal effizient durchlässt, während er den Hauptschaltkreis vor unnötigem Rauschen schützt. Sie entwarfen das System so, dass der Resonator sehr schnell auf das Messsignal reagiert, was es ihnen ermöglichte, genügend Informationen für eine Entscheidung in nur 58 Nanosekunden zu sammeln. Sobald der Messpuls endet, fließt die verbleibende Energie im Resonator passiv in wenigen Zehn-Nanosekunden ab, ohne dass zusätzliche aktive Pulse zur Bereinigung erforderlich sind. Dieses schnelle Leeren bedeutet, dass der Schaltkreis fast sofort zum normalen Betrieb zurückkehren kann. Die Forscher definierten die Gesamtmesszeit als den Zeitraum vom Beginn des Pulses bis zu dem Zeitpunkt, an dem der durch die Messung eingeführte Fehler unter einen winzigen Schwellenwert fällt. Sie fanden heraus, dass diese Gesamtzeit 97 Nanosekunden beträgt.

Das Team testete zudem streng, ob diese schnelle Messung dazu führte, dass der Schaltkreis in höhere Energieniveaus „leakt“, die nicht Teil des Standard-Zustandssystems sind. Ein solcher Leak ist ein häufiges Problem, wenn Messungen zu stark sind oder die Komponenten zu nah beieinander liegen. Mit einer spezialisierten, hochsensiblen Messsequenz verfolgten sie das Verhalten des Schaltkreises über tausende wiederholte Versuche hinweg. Sie fanden heraus, dass die Rate, mit der der Schaltkreis in diese unerwünschten Zustände leckte, extrem niedrig war und nur etwa doppelt so häufig auftrat wie die natürliche Hintergrundrate des Leckage-Effekts, der selbst ohne Messung stattfindet. Diese Leckrate war zwei Größenordnungen kleiner als die Rate, mit der der Schaltkreis relaxierte oder Energie verlor, was die dominierende Fehlerquelle darstellte.

Um zu verstehen, warum das System trotz des Betriebs in einem Bereich so stabil blieb, in dem viele unerwünschte Resonanzen theoretisch möglich sind, führten die Forscher detaillierte Computersimulationen durch. Sie untersuchten die komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Messsignal und den Energieniveaus des Schaltkreises. Ihre Simulationen zeigten, dass der Messpuls zwar mehrere Punkte passierte, an denen Resonanzen auftreten könnten, die Verbindung zwischen den Zuständen an diesen Punkten jedoch unglaublich schwach war. Da der Resonator die Energie so schnell ableitete, bewegte sich das System zu schnell durch diese potenziellen Problemzonen, um stecken zu bleiben oder in den falschen Zustand zu springen. Das schnelle Passieren bedeutete, dass der Schaltkreis diese Grenzen ohne Störung überquerte – ein Prozess, der als diabatisches Durchqueren bekannt ist.

Die Ergebnisse bestätigen, dass es möglich ist, schnelle, hochpräzise und leckagearme Messungen zu erzielen, selbst wenn der Schaltkreis und der Resonator in ihrer Frequenz sehr nah beieinander liegen. Dieser Befund ist bedeutend, da er eine wesentliche Einschränkung für das Design von Quantenprozessoren beseitigt. Zuvielmals sahen Ingenieure sich gezwungen, diese Komponenten weit voneinander zu trennen, um Fehler zu vermeiden, was das Design verkomplizieren und die Leistung reduzieren konnte. Indem sie zeigten, dass eine große Zerfallsrate in Kombination mit einem sorgfältig optimierten Signal bei kleinen Frequenzunterschieden effektiv funktionieren kann, öffnet diese Arbeit die Tür zu kompakteren und effizienteren Quantenprozessoren. Die Fähigkeit, den Zustand eines Quantenbits in unter 100 Nanosekunden mit einer solch hohen Genauigkeit auszulesen, bringt die praktische Realisierung fehlerkorrigierter Quantencomputer einen Schritt näher an die Wirklichkeit.