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Benchmark für Einzelelektronenschaltkreise - neues Analyseverfahren für eine abstrakte und universelle Beschreibung der Genauigkeit von Quantenschaltkreisen

03.12.2020

Sowohl für die Quantenmetrologie als auch für Anwendungen im Bereich von Quantencomputern ist die Genauigkeit, mit der die Elemente eines Quantenschaltkreises manipuliert werden können, von entscheidender Bedeutung. Diese präzise zu bestimmen setzt zum einen eine robuste Modellvorstellung voraus und stellt zum anderen hohe Anforderungen an die Messapparatur.

 

 

In der Praxis lässt sie sich aufgrund der Komplexität der Schaltungen und deren Wechselwirkungen untereinander allerdings nur schwer ermitteln. Im Bereich der Quantencomputer wird daher häufig ein Test-Verfahren, auch Benchmark genannt, herangezogen, in dem Funktionsweise und Genauigkeit der Gesamtschaltung über die Akkumulation von Fehlern nach einer Sequenz von Operationen bewertet wird.

Basierend auf diesem Prinzip wurde nun von der PTB in Zusammenarbeit mit der Universität Lettland ein Benchmark für Einzelelektronenschaltkreise entwickelt. Die Genauigkeit der Schaltung wird dabei durch den zufälligen Verlauf des Signals eines integrierten Fehlersensors beschrieben, das einem sogenannten „Random-Walk“ folgt (siehe Bild), während eine Abfolge von Schaltungsoperationen durchlaufen wird. Mit Hilfe dieses Random-Walk-Benchmarks wurde der Transfer einzelner Elektronen durch eine Schaltung aus Einzelelektronenpumpen untersucht, die an der PTB als Primärnormale für den elektrischen Strom entwickelt werden. In diesem Experiment erfassen empfindliche Detektoren das Fehlersignal mit Einzelelektronenauflösung. Die durch diese Präzision ermöglichte statistische Analyse zeigt grundlegende Grenzen der Schaltungsgenauigkeit, verursacht durch externe Rauschbeiträge und zeitliche Korrelationen. Mit Hilfe des Benchmarks konnte somit ein robustes Maß für die Fehlerrate der Schaltung ermittelt werden.

Durch das präzise Zählen einzelner Elektronen legt diese Arbeit die Grundlage für die Validierung eines Quantennormals für die Darstellung der Einheit der elektrischen Stromstärke, des Ampere, und bietet darüber hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für die Analyse der Funktionsweise komplexer Quantensysteme.

 

Einzelelektronenschaltkreis und „Random-Walk“ des modellierten Fehlersignals als Funktion der Anzahl von Taktzyklen

Bild: Links dargestellt ist die Durchführung des Experiments: Angetrieben von einem externen Taktsignal (grün) transferiert die Schaltung wiederholt einzelne Elektronen über verschiedene Stationen (Ellipsen) durch den Chip (im Bild von unten nach oben).  Der „Random-Walk“ des modellierten Fehlersignals (Grafik rechts) als Funktion der Anzahl t von Taktzyklen erlaubt Rückschlüsse auf die Fehlerrate, die beim Transfer der Elektronen durch den Schaltkreis auftritt. Die orangenfarbene Kurve zeigt dabei beispielhaft den Pfad einer möglichen Fehlerentwicklung.

 

 

 

Fachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus“