Jülicher Team schaltet Transmon-Gatter in 6,8 Nanosekunden mit über 99,98 % Fidelität

Forschende aus Jülich, Aachen und Köln berichten in Nature Communications über ultraschnelle Ein-Qubit-Gatter mit einer Pulsmethode, die Mehrphotonen-Leckage unterdrückt.

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Physiker des Forschungszentrums Jülich haben gemeinsam mit der RWTH Aachen University und der Universität zu Köln Ein-Qubit-Operationen an einem supraleitenden Qubit in 6,8 Nanosekunden ausgeführt und dabei eine Genauigkeit von über 99,98 % gehalten. Das in Nature Communications unter dem Titel Ultrafast single-qubit gates through multi-photon transition removal veröffentlichte Ergebnis beruht auf einer neuen Art, Mikrowellen-Steuerpulse zu formen. Laut der Jülicher Mitteilung dauern solche Operationen in supraleitenden Quantencomputern üblicherweise mehrere Dutzend Nanosekunden.

Was angekündigt wurde

Zwei grundlegende Gatter wurden an einem einzelnen Transmon-Qubit ausgeführt, das an der Helmholtz Nano Facility in Jülich gefertigt wurde, jeweils mit einem Mikrowellenpuls von 6,8 Nanosekunden. Die gemessenen Fidelitäten lagen bei 99,981 % und 99,989 %, und die Wahrscheinlichkeit, dass das Qubit ungewollt in ein höheres Energieniveau übergeht, blieb laut Institut unter 0,002 % pro Operation. Quantum Computing Report benennt die Gatter als X und X/2 und berichtet, dass die Fidelitäten per interleaved Randomized Benchmarking gemessen wurden. Die Arbeit entstand im Rahmen von QSOLID, dem von Jülich koordinierten deutschen Verbundprojekt.

Die technischen Details

Geschwindigkeit zählt, weil Qubits ihre Zustände nur kurz halten: Schnellere Gatter bringen mehr Operationen, einschließlich Fehlerkorrekturzyklen, in dieses Zeitfenster. Kürzere Pulse müssen aber stärker sein, und Transmons besitzen Energieniveaus jenseits der beiden zum Rechnen genutzten. Das Jülicher Team stellte fest, dass starke, schnelle Pulse ein Qubit nicht nur eine Etage zu hoch, sondern über Mehrphotonenübergänge zwei oder drei Etagen höher heben können – ein laut Mitteilung bislang übersehener Effekt, der über mehrere Rechenschritte bestehen bleiben und die Fehlerkorrektur stören kann.

Die neue Methode R2D baut auf DRAG auf, dem seit mehr als einem Jahrzehnt üblichen Standardverfahren zur Pulskorrektur. Sie formt die Pulse so, dass Frequenzanteile, die die unerwünschten Übergänge auslösen, herausgefiltert werden, während die gewünschte Operation weiterhin stattfindet. Gegenüber dem Standardverfahren senkt R2D die Wahrscheinlichkeit von Mehrphotonenübergängen laut den Forschenden um mehr als den Faktor 20. QCR berichtet, dass der verbleibende Gatterfehler durch Dekohärenz und nicht durch Steuerfehler begrenzt ist.

Die experimentelle Arbeit leiteten Yuan Gao und Rami Barends am PGI-13 des Peter Grünberg Instituts; die Theorie steuerten José da Costa Jesus, Francisco Cárdenas-López und Felix Motzoi vom PGI-8 bei.

Warum es wichtig ist

Schnellere Gatter ohne Genauigkeitsverlust verschaffen Fehlerkorrekturverfahren mehr Spielraum, bevor die Qubits dekohärieren, und die Unterdrückung von Leckage ist besonders wertvoll, weil herausgeleckte Zustände für Standardcodes schwer zu behandeln sind.

Worauf zu achten ist

Die Forschenden betonen, dass die Technik bisher nur an einem einzelnen, isolierten Qubit getestet wurde. Weitere Experimente müssen zeigen, ob sie auch in größeren Prozessoren funktioniert, wo Übersprechen und Frequenzgedränge zum Problem werden, und bei Zwei-Qubit-Operationen.