Physiker aus Australien und Japan führten als erste eine quantenzerstörungsfreie Messung eines Qubits durch, das aus einem Elektron in einem Quantenpunkt bestand. Wissenschaftler haben gezeigt, dass die Zuverlässigkeit einer solchen Messung bei über 99,6 Prozent liegt. Der Artikel wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Es gibt viele Plattformen, auf denen ein universeller Quantencomputer gebaut werden kann. Allerdings hat jeder Ansatz seine Nachteile. Supraleitende Qubits haben beispielsweise im Vergleich zu anderen Realisierungen kurze Kohärenzzeiten, und es ist schwierig, einen großen Quantencomputer aus kalten Atomen zu bauen.
Quantenpunkte sind eine vielversprechende Implementierung von Qubits, haben aber auch viele Probleme. Eine davon ist eine qualitative Messung von Qubits, die den Quantenzustand des Systems nicht zerstört. In diesem Zusammenhang werden einzelne Elektronen in Quantenpunkten als Qubits bezeichnet und die Zustände 0 und 1 durch den Elektronenspin beschrieben.
Wissenschaftler aus Australien und Japan unter der Leitung von Professor Seigo Tarucha vom RIKEN Science Center schlugen vor, ein Qubit in einem Quantenpunkt mit einem anderen Elektron zu messen, das mit einem Qubit verschränkt ist. Durch diese Implementierung kann der Zustand des Arbeits-Qubits über einen langen Zeitraum erhalten bleiben, was beispielsweise für die Implementierung von Fehlerkorrekturcodes erforderlich ist.
Um die zerstörungsfreie Auslesung zu testen, platzierten Physiker zwei Elektronen in Si/SiGe-Quantenpunkten – eines der Elektronen diente als Arbeits-Qubit und das andere als Hilfsenergie für die Messung. Wissenschaftler kontrollierten die Verbindung von Qubits mit einem Magnetfeld, das von einem Mikromagneten auf einem Chip erzeugt wurde.
Ein Diagramm der physikalischen Implementierung von zwei Qubits, bei denen es sich um zwei Elektronen handelt, die Wissenschaftler in Quantenpunkte platziert haben.
Um eine solche Messung in vollwertigen Quantenalgorithmen verwenden zu können, muss überprüft werden, dass das Lesen des Zustands der Ancilla das Arbeits-Qubit nicht wirklich beeinflusst. Physiker haben gezeigt, dass die Ancylla mehr als 30-mal gemessen werden kann, bevor sich das Arbeits-Qubit verschlechtert. Diese Anzahl von Messungen kommt von der kurzen Lebensdauer des Qubits und nicht von der Durchführung der Messung. Ein einzelner Messwert mit der Ancilla liefert mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,6 Prozent das richtige Ergebnis.
Außerdem zeigten die Forscher durch das gemeinsame Auslesen von Ancilla und Qubit, dass die Zustände der beiden Elektronen stark korreliert sind, was eine Voraussetzung für eine quantenzerstörungsfreie Messung ist.
Quantenmessschema: Das Arbeits-Qubit wird mit der Ancylla verschränkt und dann die Ancylla gemessen. Um die Lesemethode zu testen, haben die Wissenschaftler auch das Arbeits-Qubit vermessen und die Ergebnisse verglichen.
Gemeinsame Rabi-Oszillationen, die darauf hindeuten, dass die beiden Qubits stark korreliert sind.
Mit Hilfe der von Physikern entwickelten Messung wird es möglich, die Parität der Zustände vieler Qubits zu messen, was es ermöglicht, den Zustand eines Multi-Qubit-Systems schnell zu erkennen. In Kombination mit hochwertigen Ein- und Zwei-Qubit-Operationen eröffnet diese Methode der Informationsextraktion den Weg zu fehlerresistenten Quantencomputern auf Basis von Quantenpunkten.
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