Moderne Quantencomputer und -algorithmen stützen sich überwiegend auf Ein- und Zwei-Qubit-Gatter. Um eine Operation über drei Qubits zu realisieren, müssen Ingenieure nacheinander acht Zwei-Qubit-Operationen ausführen, was die Struktur der Algorithmen kompliziert und die Fehlerkumulierung massiv erhöht. Russische Forscher der MISIS-Universität, des Russischen Quantenzentrums, des Instituts für Nanotechnologien der Mikroelektronik der RAS und des MIPT haben die Durchführung einer komplexen Operation an gleich drei Qubits mit einer für diese Geräteklasse rekordverdächtigen Genauigkeit gemeldet. Dabei ist eine Klarstellung wichtig: Es geht nicht um die Schaffung eines vollwertigen supraleitenden Quantenprozessors, sondern um die Fähigkeit, eine komplexe Drei-Qubit-Operation in einem einzigen Schritt auszuführen.

Drei Fluxonien und ein gemeinsames Steuer-Transmon

Das Herzstück des Geräts bilden drei supraleitende Fluxonium-Qubits, die über ein gemeinsames Steuerelement, ein Transmon, verbunden sind. Genau dieses ermöglicht es, eine bestimmte Kombination von Zuständen aller drei Qubits gleichzeitig zu beeinflussen, indem die sogenannte CCZ-Operation (Controlled-Controlled-Z) ausgeführt wird. Diese Operation ändert die Phase einer von acht möglichen Kombinationen von Qubit-Zuständen. Solche Gatter werden häufig in Quantenalgorithmen, in Fehlerkorrektursystemen zur Erhöhung der Rechenzuverlässigkeit sowie bei Aufgaben zur Faktorisierung großer Zahlen eingesetzt, was potenziell die Kryptographie und Datensicherheit betrifft.

Ein Impuls statt einer Gatterkette

„Wir haben das dreiqubitige CCZ-Gatter direkt experimentell implementiert und nicht als Kaskade von Ein- und Zwei-Qubit-Operationen. Dabei bleibt die Steuerung genauso einfach wie bei Standard-Zwei-Qubit-Gattern: Ein einziger Mikrowellenimpuls von 65 ns Dauer reicht aus, der mit traditionellen Methoden — Rabi- und Ramsey-Oszillationen — kalibriert wird, um Zustandsänderungen der Qubits unter dem Einfluss des Mikrowellensignals zu verfolgen“, sagte Grigory Maschorin, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor für supraleitende Quantentechnologien der NUST MISIS und der Gruppe „Supraleitende Qubits und Quantenschaltkreise“ des RQZ. Dieser Ansatz vereinfacht die Kalibrierung und reduziert die Anzahl der Punkte, an denen Fehler auftreten können.

99,39% Genauigkeit auf einfacherer Hardware

Der Hauptvorteil der Entwicklung liegt im Verhältnis von Genauigkeit und Hardware-Komplexität. Beim herkömmlichen Ansatz müssen einzelne Zwei-Qubit-Gatter für eine vergleichbare Genauigkeit der Endoperation jeweils mit einer Genauigkeit von etwa 99,94% arbeiten, was heute nur auf einer begrenzten Anzahl der modernsten und komplexesten Quantencomputer verfügbar ist. Die russische Implementierung hingegen ermöglicht es, dieselbe Operation mit einer Genauigkeit von 99,39% in einem Schritt auf einfacherer und weniger anspruchsvoller Hardware auszuführen, was die Einstiegshürde für die Arbeit mit Drei-Qubit-Gattern senkt.

Skalierungsperspektiven

Nach Einschätzung der Entwickler selbst kann die geschaffene Architektur als Basis für die Skalierung supraleitender Quantenprozessoren dienen. Die Wissenschaftler merken an, dass das erstellte Modul in einen zweidimensionalen Schaltkreis integriert werden kann, wobei die Mechanismen zur Unterdrückung unerwünschter Wechselwirkungen zwischen seinen Elementen erhalten bleiben. Dies ebnet den Weg zum Bau größerer Quantenschaltkreise ohne proportionalen Anstieg von Steuerungs komplexität und Fehlern, was eines der HauptHindernisse auf dem Weg zu praktischen Quantenmaschinen darstellt.