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Benchmark für Einzelelektronenschaltkreise

Analyseverfahren für eine universelle Beschreibung der Genauigkeit von Quantenschaltkreisen

PTBnews 3.2021
27.09.2021
Besonders interessant für

Nanotechnologie

Quanteninformationsverarbeitung

Elektrische Quantenmetrologie

Die Manipulation einzelner Elektronen mit dem Ziel, Quanteneffekte nutzbar zu machen, verspricht qualitativ neue Anwendungsmöglichkeiten in der Elektronik. In diesen Einzelelektronenschaltungen, die den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen, treten jedoch statistische Abweichungen von der fehlerfreien Funktionsweise auf. Daraus ergibt sich eine fundamentale Unsicherheit, deren Verständnis und Quantifizierung maßgeblich für zukünftige Weiterentwicklungen sind. Die PTB hat in Zusammenarbeit mit der Universität Lettland hierfür ein statistisches Testverfahren entwickelt.

Simulierte Entwicklungen möglicher Random-Walk-Verläufe des Fehlersignals x über der Anzahl t von Wiederholungen der Schaltungsoperation, wobei die Zählstatistiken des experimentell gemessenen Fehlersignals berücksichtigt sind. Die orangefarbene Linie hebt beispielhaft einen möglichen Verlauf hervor. Die Linienbreiten der blauen Linien entsprechen den statistischen Häufigkeiten der jeweiligen eingenommenen Zustände.

Einzelelektronenschaltkreise werden als Quantennormale für die elektrische Stromstärke entwickelt und bereits in Prototypen von Quantencomputern eingesetzt. In diesen mesoskopischen Quantenschaltungen erschweren Wechselwirkungen und Rauschprozesse die Untersuchung fundamentaler Unsicherheiten, welche somit große Anforderungen an Messtechnik mit allerhöchstem Präzisionsniveau stellt.

Im Bereich der Quantencomputer wird häufig ein Testverfahren herangezogen, in dem Funktionsweise und Genauigkeit der Gesamtschaltung über die Akkumulation von Fehlern nach einer Sequenz von Operationen bewertet wird. Forscher der PTB und der Universität Lettland haben nun einen Benchmark für Einzelelektronschaltkreise entwickelt. Die Schaltungsgenauigkeit wird dabei durch die zufälligen Schritte eines Fehlersignals beschrieben, das Hochspannung und haben einen schlechten Wirkungsgrad sowie eine kleine Ausgangsleistung. Um die große Zahl der vorhandenen Interferometer in der Längenmesstechnik nahtlos weiterverwenden zu können, muss bei alternativen Lösungen die Wellenlänge von 633 nm beibehalten werden. Dafür bieten sich Diodenlaser an, die von sich aus allerdings keine ausreichende Genauigkeit der Wellenlänge besitzen. Hier kommt die Stabilisierung mit Jod ins Spiel: Jodmoleküle besitzen viele Absorptionslinien im benötigten Wellenlängenbereich, die als absolute Wellenlängenreferenz dienen können.nach wiederholter Ausführung von Schaltkreisoperationen von einem integrierten Sensor erfasst wird. Die statistische Analyse dieses als Random-Walk bezeichneten Verlaufs ermöglicht, die seltenen, aber bei der Manipulation einzelner Quantenteilchen unvermeidbaren Fehler zu identifizieren.

Mithilfe des Random-Walk-Benchmarks wurde der Transfer einzelner Elektronen in einer Schaltung aus Einzelelektronenpumpen untersucht, die an der PTB als Primärnormal für die Realisierung der SI-Basiseinheit Ampere entwickelt wird. In diesem Experiment erfassen empfindliche Ladungsdetektoren das Fehlersignal mit Einzelelektronenauflösung. Die durch das Zählen individueller Teilchen ermöglichte statistische Analyse zeigt nicht nur grundsätzliche Grenzen der Schaltungsgenauigkeit, verursacht durch externe Rauschbeiträge und zeitliche Korrelationen, sondern bietet auch ein robustes Maß für Fehler in der elektrischen Quantenmetrologie.

Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Verfahren legt die Grundlage für die Validierung von Quantennormalen für elektrische Größen und bietet darüber hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für die Entwicklung und Analyse der Funktionsweise komplexer Quantensysteme.

Ansprechpartner

Niels Ubbelohde
Fachbereich 2.5
Halbleiterphysik und Magnetismus
Telefon: (0531) 592-2534
Opens local program for sending emailniels.ubbelohde(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

D. Reifert, M. Kokainis, A. Ambainis, V. Kashcheyevs, N. Ubbelohde: A random-walk benchmark for single-electron circuits. Nat. Commun. 12, 285 (2021)
Opens external link in new windowhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-20554-w