En kvantedatamaskins kapasitet avhenger ikke bare av hvor mange kvantebiter, eller qubits, den har. Det er også avgjørende hvor nøyaktig kvantebitene kan arbeide sammen.

Forskere fra japanske RIKEN og samarbeidende institusjoner har nå demonstrert samtidig drift av fem silisiumbaserte kvantebiter gjennom én enkelt mikrobølgeforbindelse. Metoden kan redusere behovet for en separat kontrollinje til hver kvantebit, men forskerne understreker at flere utfordringer fortsatt må løses.

Parallelle operasjoner skaper forstyrrelser

Kvantedatamaskiner må kunne utføre operasjoner parallelt for å kjøre feilkorrigeringsrutiner. Slike rutiner skal beskytte den sårbare kvanteinformasjonen mot feil.

Problemet er at signalet som styrer én kvantebit, også kan påvirke naboene. Denne uønskede påvirkningen kalles krysstale, og kan gjøre operasjonene mindre nøyaktige – også når nabokvantebitene ikke er ment å bli aktivert.

I tidligere forsøk førte problemet til at gate fidelity, et mål på hvor nøyaktig en kvanteoperasjon utføres, falt fra 99,95 prosent til rundt 99,5 prosent under parallell drift. «Simultaneous control remains a major challenge in silicon devices, as fidelities typically degrade under parallel operation», skriver forskerne i studien.

Teamet arbeidet med fem kvantebiter basert på elektronspinn. De var fanget i små strukturer kalt kvantepunkter i en enhet laget av silisium og silisium-germanium.

«Silicon spin qubits, in particular, offer a promising path to scalable quantum computing due to their compatibility with industrial semiconductor manufacturing», skriver forskerne videre.

Fant årsaken til en viktig del av forstyrrelsen

Mikrobølgesignaler brukes til å styre kvantebitene, men signalene kan endre energinivåene til nabokvantebiter. Forskerne knyttet den viktigste kilden til denne forstyrrelsen til et fenomen kalt AC Stark-forskyvning.

Fenomenet kan endre hvordan en nabokvantebits kvantetilstand utvikler seg. Resultatet blir en uønsket faseforskyvning – en endring i den relative timingen mellom bølgene som beskriver kvantetilstanden. Det kan føre til at den planlagte operasjonen ikke utføres nøyaktig.

Forskerne fant at faseforskyvningene kunne forutsies ved å måle hvordan individuelle par av kvantebiter påvirket hverandre. Disse målingene ble deretter brukt til å kompensere for endringene når flere kvantebiter ble operert samtidig.

Dermed slapp teamet å kalibrere hver eneste mulige kombinasjon separat. Førsteforfatter Yi-Hsien Wu forklarer metoden slik:

«Rather than requiring an entirely separate calibration procedure for every possible combination of qubits, our method uses calibrations between pairs of qubits to compensate for the unwanted phase shifts.»

Minst 99,9 prosent med alle fem i drift

Resultatene viste at de fem kvantebitene hadde en nøyaktighet på over 99,99 prosent når de ble operert én og én. Den beste målingen var nær 99,999 prosent.

Når opptil tre kvantebiter ble operert samtidig, holdt nøyaktigheten seg over 99,99 prosent. Selv da alle fem arbeidet parallelt, var gate fidelity på minst 99,9 prosent.

Dette nivået oppfyller en mye brukt referanse for feiltolerant kvantedatabehandling, der feilkorrigeringsteknikker skal beskytte beregninger mot feil. Resultatet betyr likevel ikke at forskerne allerede har bygget en fullt feiltolerant kvantedatamaskin.

En delt mikrobølgeforbindelse kan redusere antallet kontrollkoblinger som kreves i større prosessorer. Det kan frigjøre plass og potensielt redusere varmen fra kontrollutstyret.

Forskerne ser metoden som et mulig grunnlag for moduler med rundt ti kvantebiter per delt forbindelse. En slik større konfigurasjon er imidlertid et framtidig mål, ikke noe som er demonstrert i denne studien.

Vil forbedre magnetene på brikken

Det finnes fortsatt tekniske hindringer. Sterkere mikrobølgesignaler kan gjøre operasjonene raskere, men kan også skape forstyrrelser som påvirker kvantebitenes sårbare kvantetilstander.

Teamet foreslår å forbedre de små magnetene som brukes til å styre elektronspinnene, blant annet ved å integrere dem i ledningslagene på brikken. Magnetene kan da produsere sterkere lokale magnetfelt og gjøre det mulig å gjennomføre raskere operasjoner med lavere mikrobølgeeffekt.

Forsøket løser dermed én av utfordringene ved å skalere silisiumbaserte kvantedatamaskiner: å opprettholde nøyaktig kontroll når flere kvantebiter arbeider samtidig. Før teknologien kan bidra til praktisk, feiltolerant kvantedatabehandling, må metoden utvides til større samlinger og kombineres med løsninger på andre feilkilder.

Studien er publisert i tidsskriftet Nature Physics.