Penn-Forscher verschränken vier Qubits in Raumtemperatur-Diamant 10-mal schneller als zuvor

Forscher der University of Pennsylvania haben vier Qubits in einem Diamanten bei Raumtemperatur mit einem einzigen Kontrollgatter verschränkt und dabei die Operationszeit im Vergleich zur konventionellen Methode um rund 90 % verkürzt — bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit, eine seltene Kombination in der Quantenhardware, wo Geschwindigkeit und Genauigkeit sich normalerweise gegenseitig ausschließen.

Das Team, dessen Arbeit diesen Monat in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, erzeugte einen Vier-Qubit-Verschränkungszustand in 14,8 Mikrosekunden. Die konventionelle Methode, die Qubits paarweise über eine Sequenz separater Gatter verschränkt, brauchte etwa zehnmal länger für denselben Vier-Qubit-Zustand und tat dies mit geringerer Genauigkeit: eine Fidelity von 0,69 gegenüber 0,92 bei der neuen parallelen Methode.

Warum Raumtemperatur wichtig ist

Die meisten führenden Quantencomputing-Plattformen — einschließlich der supraleitenden Qubits, die IBM und Google verwenden — erfordern eine Kühlung nahe dem absoluten Nullpunkt, was einen enormen technischen Mehraufwand bei Kryotechnik, Vakuumsystemen und Abschirmung bedeutet. Das Penn-System nutzt stattdessen ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV), eine bestimmte Art von Defekt im Kristallgitter des Diamanten, das sich wie ein stabiles Quantenbit verhält.

Einen Fehler zum Feature machen

Der technische Trick ist ungewöhnlich elegant: Anstatt das Übersprechen zu bekämpfen, das auftritt, wenn ein für einen Kernspin bestimmter Kontrollimpuls unbeabsichtigt seine Nachbarn beeinflusst, stimmte das Penn-Team das Timing und die Wiederholung ihrer Kontrollsequenz — ein Muster namens XY8 — so ab, dass dieses Übersprechen absichtlich als parallele Verschränkungsoperation genutzt wird.

Was das ermöglicht — und was noch nicht

Die Forscher sagen, die Kontrollmethode lasse sich auf andere Diamantdefekttypen und vergleichbare Defektregister in Siliziumkarbid und Silizium übertragen. Unmittelbare Anwendungen umfassen Quantenfehlerkorrektur, Quantenspeicherknoten für künftige Quantennetzwerke und Quantensensorik bei Raumtemperatur.

Der Vorbehalt betrifft die Skalierung: Dies bleibt eine Labordemonstration mit vier Qubits, kein funktionierender Quantenprozessor. Der Weg von vier verschränkten Qubits zu den Tausenden oder Millionen, die für einen fehlertoleranten, universellen Quantencomputer benötigt werden, ist ein separates und weitaus schwierigeres technisches Problem.

Nach Berichten von The Quantum Insider, basierend auf der Veröffentlichung in Nature Nanotechnology.