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Diamant-Qubits werden bei Raumtemperatur zehnmal schneller parallel verschränkt
Mehrteilige Verschränkung in Diamant-Qubits entsteht bislang meist über mehrere nacheinander geschaltete Quantengatter, was Zeit kostet und Störkopplungen erzeugt. Nun hat ein Team vier Qubits bei Raumtemperatur mit einem einzigen parallelen Gatter in 14,8 Mikrosekunden verschränkt. Die Operation war zehnmal schneller als die sequenzielle Variante und erreichte zugleich eine höhere Gattertreue.
Philadelphia (U.S.A.). Stickstoff-Fehlstellen, kurz NV-Zentren, sind winzige Defekte im Diamantgitter, an denen ein Elektron mit benachbarten Kernspins ein Quantenregister bilden kann. Besonders interessant ist dieses System, weil sich der Elektronenspin auch bei Raumtemperatur kohärent kontrollieren lässt und nahe Kohlenstoff-13-Kerne als langlebige Speicher-Qubits dienen können.
Für eine Verschränkung mehrerer solcher Qubits werden bislang meist nacheinander Zweiqubit-Gatter ausgeführt. Dazu steuern genau getaktete Mikrowellenpulse den Elektronenspin und seine Wechselwirkung mit jeweils einem Kernspin, während unbeabsichtigte Rotationen der übrigen Kernspins als Crosstalk stören. Mit jedem zusätzlichen Schritt wachsen dadurch sowohl die Gatterzeit als auch die Fehleranfälligkeit.
Forscher der University of Pennsylvania um Lee C. Bassett haben nun einen anderen Ansatz experimentell getestet und die störenden Kopplungen nicht unterdrückt. Stattdessen wählten sie eine Sequenz zur dynamischen Entkopplung so, dass das Elektron gleichzeitig bedingte Rotationen auf drei schwach gekoppelte Kohlenstoff-13-Kerne ausübt und dieselbe Pulsfolge als gemeinsames Verschränkungsgatter für alle vier Qubits wirkt.
Das Team erzeugte so einen vierteiligen Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand, kurz GHZ-Zustand, in dem die Qubits gemeinsam in einer Überlagerung zweier kollektiver Konfigurationen verschränkt sind, vereinfacht etwa aller Nullen und aller Einsen. Das parallele Gatter benötigte dafür nur 14,8 Mikrosekunden und war damit zehnmal schneller als die entsprechende Folge einzelner Zweiqubit-Gatter.
Um die Mehrteilchenverschränkung nachzuweisen, bestimmten die Forscher sogenannte Mehrfachquantenzkohärenzen, indem sie kontrolliert die Phasen der Kern-Qubits veränderten und anschließend das Elektronen-Qubit optisch auslasen. Die Frequenz des Messsignals zeigt, wie viele Kernspins gemeinsam mit dem Elektron verschränkt waren, ohne dass dafür eine vollständige Zustandstomografie aller Qubits nötig war.
Zusätzlich bestimmten die Forscher die eigentliche Gattertreue getrennt von Fehlern bei Zustandsvorbereitung und Messung, wobei das parallele Vierqubit-Gatter eine Treue von 0,92 mit einer Unsicherheit von 0,04 erreichte. Die sequenzielle Variante kam auf 0,69 mit einer Unsicherheit von 0,03, wobei sich bei ihr längere Dauer, mehr Elektronenpulse und Crosstalk stärker auswirkten.
Auch bei Dreiqubit-Gattern zeigte sich ein Vorteil, denn im Mittel erreichten die parallelen Gatter eine Treue von 0,83 mit einer Streuung von 0,09, die sequenziellen Gatter 0,78 mit einer Streuung von 0,08. Die parallelen Varianten liefen fast doppelt so schnell, während die mittlere Gattertreue bei einzelnen Zweiqubit-Gattern bereits bei 0,96 mit einer Streuung von 0,01 lag.
Wie häufig sich geeignete Kernspin-Gruppen finden lassen, untersuchten die Forscher zusätzlich mit 500 zufällig erzeugten Modellen von NV-Kernspin-Registern. Konfigurationen mit mindestens einem stark gekoppelten Kernspin, rund 64 Prozent der Fälle, wurden für diese Analyse ausgeschlossen, während die übrigen schwach gekoppelten Register im Mittel 5,7 individuell adressierbare Kern-Qubits bei einer Standardabweichung von 2,5 enthielten.
In der Mehrzahl dieser simulierten Register fanden die Forscher parallele Gatter für zwei oder drei Kern-Qubits, in einzelnen Modellen waren auch vier oder fünf Kern-Qubits gleichzeitig verschränkbar. Experimentell blieb es in der aktuellen Arbeit aber bei vier Qubits. Verschränkt wurden ein Elektron und drei Kernspins.