Physiker steigern Hole-Spin-Qubit-Auslese auf über 97 Prozent durch Eliminierung aller Fehler

Quantencomputer, die aus Spins in Halbleiter-Quantenpunkten aufgebaut sind, versprechen seit langem einen skalierbaren Weg zur Quanteninformationsverarbeitung, aber einer der täuschend schwierigsten Schritte ist schlicht das Auslesen der Antwort. In einer in Nature Electronics veröffentlichten Studie berichtet ein Team von IBM Research Europe in Zürich über eine systematische Analyse jedes Fehlerprozesses, der beim Auslesen von Loch-Spin-Qubits in Germanium auftritt, und durch die sorgfältige Milderung jedes einzelnen erreichten sie eine Single-Shot-Zustandspräparations- und Mess- (SPAM) Fidelität von 97,0 Prozent für den Einzel-Qubit-Betrieb. Das Ergebnis markiert einen bedeutenden Fortschritt für eine Plattform, die bei der Ausleseleistung hinter ihrem Gegenstück aus Silizium-Elektronen-Spins zurückgeblieben ist, und bietet einen detaillierten Fahrplan, dem andere Labors, die an Germanium- und lochbasierten Qubits arbeiten, folgen können.

Loch-Spins in Germanium-Quantenpunkten sind aus mehreren Gründen attraktiv. Die zu ihrer Eingrenzung verwendeten Ge/SiGe-Heterostrukturen weisen geringes Ladungsrauschen und Unordnung auf, und die starke Spin-Bahn-Wechselwirkung von Löchern ermöglicht eine rein elektrische Manipulation des Qubits, wodurch sperrige Mikrowellenantennen überflüssig werden. Dieselbe anisotrope Physik, die ein schnelles elektrisches Ansteuern ermöglicht, erschwert jedoch auch das Auslesen. Das Standard-Spin-Auslesen beruht auf der Pauli-Spin-Blockade, bei der ein Zwei-Spin-Zustand in einen Ladungszustand umgewandelt wird, den ein nahegelegener Sensor detektieren kann. In Loch-Systemen wirken ortsabhängige Spin-Anisotropien und kurze Relaxationszeiten zusammen, um diese Umwandlung zu korrumpieren, und die höchste zuvor für Löcher in Germanium berichtete Auslese-Fidelität lag bei etwa 94 Prozent, weit entfernt von der 99-Prozent-Schwelle, die fehlertolerantes Quantencomputing erfordert.