Messung von Ladegeräusch in supraleitenden Qubits

In diesem Artikel wird die erste Messung von korreliertem Ladegeräusch in supraleitenden Qubits vorgestellt, die winzige Einheiten quantenmechanischer Information sind. Die Messungen fanden in einer speziellen Einrichtung 107 Meter unter der Erde statt, wo es weniger Strahlung gibt, was ideal ist, um das Verhalten von Qubits zu studieren. Die reduzierte Strahlung hilft dabei, zu erkennen, wie Geräusche die Leistung der Qubits beeinflussen.

#Hintergrund zu supraleitenden Qubits

Supraleitende Qubits sind empfindliche Geräte, die in der Quanteninformatik verwendet werden. Sie beruhen auf den Prinzipien der Supraleitung, wodurch sie mit sehr geringem Energieverlust arbeiten können. Ihre Leistung kann von Umweltfaktoren beeinflusst werden. Ladegeräusch entsteht insbesondere durch schwankende elektrische Ladungen, die ihren Betrieb stören können.

#Bedeutung von unterirdischen Einrichtungen

Der unterirdische Standort bietet einen entscheidenden Vorteil: Das Gestein darüber blockiert die meisten kosmischen Strahlen. Kosmische Strahlen sind energiereiche Teilchen aus dem Weltraum, die Geräusche in Qubits erzeugen können. Indem Qubits unterirdisch gemessen werden, können Forscher die Auswirkungen dieser kosmischen Strahlen minimieren und sich darauf konzentrieren, das Geräusch aus anderen Quellen, wie Gamma-Strahlung, zu verstehen.

#Experimentelle Einrichtung

Das Experiment umfasste ein Gerät mit vier Qubits. Jedes Qubit war so gestaltet, dass es empfindlich auf Ladeänderungen reagiert. Um das Verhalten der Qubits zu überwachen, verwendeten die Forscher eine Technik namens Ladetomographie. Diese Methode ermöglicht es, die Änderungen der induzierten Ladung auf den Qubit-Inseln über die Zeit festzuhalten.

Die Einrichtung hatte einen beweglichen Bleischirm, der half, die Menge der Strahlung zu kontrollieren, der die Qubits ausgesetzt waren. Durch das Öffnen und Schliessen des Schirms konnten die Forscher die Strahlungsumgebung variieren und beobachten, wie sich das auf die Qubits auswirkte.

#Messungen der Ladetomographie

Die Messungen der Ladetomographie erlaubten es den Forschern, zu verfolgen, wie Ladungen auf den Qubit-Inseln sprangen. Diese Sprünge entsprachen Wechselwirkungen mit ionisierender Strahlung. Durch die genaue Untersuchung dieser Sprünge konnten die Forscher sehen, wie die Ladebewegungen mit der Menge der Strahlung, die auf die Qubits traf, zusammenhingen.

Das Geräusch von Ladebewegungen schien in Zusammenhang mit der Strahlungsumgebung zu stehen. Als der Schirm geschlossen war, sank die Rate der Ladebewegungen erheblich, was darauf hindeutet, dass der Bleischutz effektiv war, um die Auswirkungen der Strahlung zu reduzieren.

#Beobachtungen und Ergebnisse

Während des Experiments sammelten die Forscher Daten über zwei Bedingungssets: eins mit offenem Bleischirm und eins mit geschlossenem. Die Messungen zeigten, dass die Raten der Ladebewegungen niedriger waren, wenn der Schirm geschlossen war, aber immer noch höher als erwartet, basierend auf der Reduzierung der Gamma-Strahlung.

Eine wichtige Beobachtung war, dass das Gerät mit vier Qubits mehr als 22 Stunden lang ohne irgendwelche korrelierten Ladebewegungen auftraten, die über drei Millimeter hinausgingen. Das deutet darauf hin, dass Qubits, die weiter auseinanderlagen, während dieser Zeit keine Ladegeräusche bemerkten, die sie verbanden.

#Auswirkungen der Strahlung auf Qubits

Ionisierende Strahlung kann die Leistung von supraleitenden Qubits beeinträchtigen. Frühere Studien zeigten einen Zusammenhang zwischen der Strahlung und wie Qubits sich energetisch entspannen. Wenn Strahlung Fehler in Qubits verursacht, kann sie mehrere Qubits in einem Prozessor gleichzeitig betreffen. Dieses korrelierte Geräusch ist entscheidend zu verstehen, da es die Fehlerkorrektur in der Quanteninformatik kompliziert.

#Verschiedene Quellen von Ladegeräusch

Die Forscher glauben, dass verschiedene physikalische Prozesse das Ladegeräusch in den Qubits verursachen könnten. Wenn Strahlung mit den Qubit-Materialien interagiert, kann sie Elektronen-Loch-Paare erzeugen, was zu unterschiedlichen Lade-Dynamiken führt. Diese Prozesse können auf Zeitrahmen von Nanosekunden bis hin zu viel längeren Zeiträumen stattfinden und beeinflussen, wie zuverlässig die Qubits arbeiten.

#Die Rolle des beweglichen Schirms

Der bewegliche Bleischirm in der Einrichtung spielte eine entscheidende Rolle. Durch Anpassung der Abdeckung konnten die Forscher effektiv steuern, wie viel Strahlung das Qubit-Gerät erreichte. Dies ermöglichte eine präzisere Bewertung der Korrelation zwischen Strahlenexposition und Ladegeräusch.

Das Schliessen des Bleischirms führte zu einer niedrigeren Rate von Ladebewegungen. Allerdings waren die beobachteten Raten nicht so niedrig wie erwartet, was darauf hindeutet, dass es möglicherweise andere Quellen von Ladegeräusch gibt, die nicht mit der Gamma-Strahlung in der Umgebung zusammenhängen.

#Einblicke in die Qubit-Leistung

Die Fähigkeit, korrelierte Ladegeräusche zu messen und zu minimieren, ist entscheidend für den Fortschritt in der Quanteninformatik. Je mehr die Forscher verstehen, wie verschiedene Arten von Strahlung die Qubit-Leistung beeinflussen, desto besser können sie Fehlerkorrekturcodes entwerfen und die Gesamtfunktion der Qubits verbessern. Dieses Wissen ist wichtig für die Entwicklung zuverlässiger Quantencomputer.

#Zukünftige Richtungen

Dieses Experiment bildet die Grundlage für zukünftige Studien. Es bleiben Fragen zur übermässigen Ladegeräusch, die in der Konfiguration mit geschlossenem Schirm beobachtet wurde. Die Forscher planen, die Quelle dieser Ladungsimpulse zu untersuchen und Ideen wie gefangene Ladung in Materialien oder unerwartete Strahlungsquellen in der Nähe des Qubit-Chips zu erkunden.

Durch eine genauere Untersuchung dieser Faktoren können die Forscher das Design von supraleitenden Qubits verbessern und deren Leistung in praktischen Anwendungen steigern.

#Fazit

Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Schritt dar, um Ladegeräusche in supraleitenden Qubits in einer Umgebung mit niedriger Strahlung zu messen. Die Ergebnisse zeigen Potenzial, da sie auf eine Reduzierung von korrelierten Ladebewegungen hinweisen und unser Verständnis darüber erweitern, wie Strahlung die Leistung von Qubits beeinflusst. Fortgesetzte Bemühungen in diesem Bereich werden entscheidend für den Fortschritt in der Quanteninformatik und die Entwicklung von Qubit-Technologien für zukünftige Anwendungen sein.

#Technische Details des Experiments

#Qubit-Design

Der im Studium verwendete Qubit-Chip hatte vier schwach ladungsempfindliche zirkulare Transmon-Qubits. Das Design ermöglicht eine präzise Wechselwirkung mit elektrischen Feldern. Jedes Qubit besteht aus einer supraleitenden Insel, die von einer Erdungsebene umgeben ist. Dieses Design ist entscheidend für die Minimierung der Auswirkungen von Ladegeräusch.

#Messtechniken

Die Forscher verwendeten Ramsey-Tomografie für die Messungen, die eine spezifische Abfolge von Operationen an jedem Qubit umfasste. Diese Methode hilft, die energetischen Zustände der Qubits abzubilden, während die Ladefluktuationen überwacht werden. Durch zahlreiche Messungen und das Mitteln der Ergebnisse konnten die Forscher genaue Informationen über Ladebewegungen ableiten.

#Datenanalyse

Die Datenanalyse konzentrierte sich darauf, die Raten und Grössen der Ladebewegungen zu identifizieren. Durch den Vergleich der Messungen mit offenem und geschlossenem Schirm bewerteten die Forscher den Einfluss der Gamma-Strahlung auf die Leistung der Qubits. Sie verwendeten statistische Methoden, um zwischen korreliertem und unkorreliertem Geräusch zu unterscheiden.

#Umweltkontrollen

Die unterirdische Einrichtung ist so gestaltet, dass die Hintergrundstrahlung minimiert wird und eine kontrollierte Umgebung für Qubit-Tests bietet. Die Verwendung eines Reinraums stellte sicher, dass Staub und andere Verunreinigungen die Messungen nicht beeinträchtigen. Der Bleischutz und das Design des Kühlsystems arbeiteten zusammen, um optimale Bedingungen für den Betrieb der Qubits zu gewährleisten.

#Auswirkungen auf die Quanteninformatik

Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen über das blosse Verständnis von Geräuschen in supraleitenden Qubits hinaus. Mit dem Fortschritt in der Quanteninformatik ist es entscheidend, zu verstehen, wie man die Auswirkungen von Umweltfaktoren mindern kann, um skalierbare quantitative Systeme zu bauen. Diese Forschung trägt wertvolle Erkenntnisse bei, die zu robusteren und zuverlässigen Quanten-Technologien führen können.

#Breiterer Kontext

Diese Forschung ist Teil eines umfassenderen Bemühens, die Quanteninformatik praktischer zu gestalten. Eine der bedeutendsten Herausforderungen in diesem Bereich ist das Management von Geräuschen und Fehlern. Indem diese Probleme angegangen werden, wollen die Forscher die Quanteninformatik näher an reale Anwendungen bringen, wo sie Industrien von Kryptographie bis hin zu komplexen Systemsimulationen transformieren könnte.

#Danksagungen

Die erfolgreiche Durchführung dieses Experiments beruhte auf der Zusammenarbeit verschiedener Teams und der Unterstützung verschiedener Organisationen. Während sich das Feld der Quanteninformatik weiterentwickelt, sind solche Beiträge entscheidend, um Hindernisse zu überwinden und neue Technologien voranzutreiben.

Der Fortschritt, der in dieser Studie demonstriert wird, ist ein Beweis für das Potenzial von supraleitenden Qubits und die Bedeutung, ihr Betriebsumfeld zu verstehen.