Benchmark für Einzelelektronen-Schaltkreise
Neues Analyseverfahren für eine abstrakte und universelle Beschreibung der Genauigkeit von Quanten-Schaltkreisen.
Einzelelektronenschaltkreise finden Verwendung als Quantennormal der elektrischen Stromstärke und in Prototypen von Quantencomputern. In diesen miniaturisierten Quantenschaltungen erschweren Wechselwirkungen und Rauschen die Untersuchung der fundamentalen Unsicherheiten, und ihre Bestimmung stellt somit große Anforderungen selbst an die metrologische Präzision der Messapparatur. 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 Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Universität Lettland haben jetzt einen Benchmark für Einzelelektronschaltkreise entwickelt.
Die Schaltungsgenauigkeit wird bei diesem neuen Testverfahren durch die zufälligen Schritte eines Fehlersignals beschrieben, das von einem integrierten Sensor erfasst wird, während der Schaltkreis wiederholt eine Operation ausführt. Die statistische Analyse dieses Random Walk genannten Verlaufs ermöglicht es, 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 Primärnormale für die Realisierung der SI-Basiseinheit Ampere entwickelt werden. In diesem Experiment erfassen empfindliche Detektoren das Fehlersignal mit Einzelelektronenauflösung. Die durch das Zählen individueller Teilchen ermöglichte statistische Analyse zeigt nicht nur grundsätzlichen Grenzen der Schaltungsgenauigkeit, verursacht durch externe Rauschbeiträge und zeitliche Korrelationen, sondern bietet auch ein robustes Maß für Fehler in der Quantenmetrologie.
Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Verfahren legt die Grundlage für die Validierung von Quantennormalen elektrischer Größen und bietet darüber hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für die Entwicklung und Analyse der Funktionsweise komplexer Quantensysteme.
PTB / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
D. Reifert et al.: A random-walk benchmark for single-electron circuits. Nat Commun 12, 285 (2021); 10.1038/s41467-020-20554-w DOI: - AG Niedrigdimensionale Elektronensysteme, Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig
