Fünf Silizium-Qubits über eine Leitung gesteuert

Ein Team um Forschende von RIKEN, der National Taiwan University, der ETH Zürich und der TU Delft hat laut Quantum Computing Report fünf Silizium-Spin-Qubits gleichzeitig über eine gemeinsame Mikrowellenleitung mit hoher Genauigkeit gesteuert; die Studie erschien in Nature Physics. Bei einzelner Ansteuerung jedes Qubits lagen die Treuen primitiver π/2-Gatter laut Studienabstract deutlich über 99,99%, teilweise nahe 99.999%. Beim gleichzeitigen Betrieb von bis zu drei Qubits blieben die Treuen über 99,99%, beim parallelen Betrieb aller fünf Qubits lagen sie bei 99,9%, was die Autoren laut Studienabstract als praktische Schwelle für Fehlertoleranz bezeichnen. Die untersuchten Dreiergruppen wurden mit einer Pulsdauer von 250 Nanosekunden betrieben, die Fünf-Qubit-Werte galten für 250 und 500 Nanosekunden.

Warum eine gemeinsame Leitung schwierig ist

Die in der Studie untersuchten Silizium-Spin-Qubits speichern Quanteninformation im Spin eines in einem Quantenpunkt eingeschlossenen Elektrons, wie FreeQuantumComputing beschreibt. Sie gelten als aussichtsreiche Bauweise für Quantencomputer, weil sie sich mit denselben Halbleiterfertigungstechnologien herstellen lassen wie heutige Computerchips, wie The Quantum Insider berichtet. Silizium-Spin-Qubits verlieren bei paralleler Ansteuerung typischerweise an Genauigkeit. Eigene Mikrowellenleitungen für jedes Qubit bringen bei wachsenden Prozessoren Probleme bei Leitungsführung und Wärme mit sich; eine gemeinsame Leitung senkt den Hardwarebedarf, gleichzeitige Pulse verursachen aber Übersprechen. Hauptursache dieses Genauigkeitsverlusts ist im untersuchten Fünf-Qubit-Array laut Studienabstract eine sogenannte AC-Stark-Verschiebung, durch die Mikrowellensignale die effektiven Energieniveaus eines Qubits verändern und die Phase seines Quantenzustands verschieben. Das Minderungsprotokoll ist laut Studienabstract skalierbar; Erstautor Yi-Hsien Wu erklärte, die Methode nutze Kalibrierungen zwischen Qubit-Paaren, statt für jede mögliche Kombination eine Kalibrierung zu benötigen.

2025 erreichte ein Team um Paul Steinacker an vier industriell bei imec gefertigten Zweiqubit-Bauelementen Einzel- und Zweiqubit-Steuerungstreuen von über 99% und identifizierte verbliebene Isotope mit Kernspin als wesentliche Fehlerquelle. Anders als beide Arbeiten, die einen Zwei-Qubit-Prozessor beziehungsweise vier Zweiqubit-Bauelemente untersuchten, zeigt die neue Studie vergleichbare Treuen bei bis zu fünf Qubits über eine gemeinsame Leitung und zwar für Einzelqubit-Gatter.

Was die Technik noch nicht kann

Spin-Valley-Mischung störte laut FreeQuantumComputing den Betrieb des Zweiqubit-Gatters. Der verbleibende Genauigkeitsverlust wird einer antriebsinduzierten Dekohärenz durch die höhere Mikrowellenleistung im Parallelbetrieb zugeschrieben; der an der Studie beteiligte Forscher Camenzind erklärt, Verbesserungen am Bauelement könnten diesen Effekt mindern.

Was für mehr als fünf Qubits fehlt

Projektleiter Seigo Tarucha nennt laut The Quantum Insider den Bau eines fehlertoleranten Quantencomputers aus Silizium-Spin-Qubits als langfristiges Ziel, mit zuverlässiger paralleler Steuerung als wesentlichem Schritt dorthin. Camenzind sieht in der paarweisen Kalibrierung einer wesentlichen Fehlerquelle eine Unterstützung für gemeinsame Steuerleitungen als praktischen Ansatz, um Quantenprozessoren zu vergrößern. Die Fachveröffentlichung schätzt laut FreeQuantumComputing, dass die Architektur mit Gattern von 500 Nanosekunden ungefähr zehn Qubits bei einer Treue nahe 99,9 Prozent steuern könnte; diese Schätzung ist keine Demonstration mit zehn Qubits. Bis ein solches Modul mehr als fünf Qubits tatsächlich steuert und Zweiqubit-Gatter mit hoher Treue demonstriert sind, bleibt laut FreeQuantumComputing der Weg von fünf präzise gesteuerten Qubits zu einem fehlertoleranten Quantenprozessor offen.