27.01.2021 • Messtechnik

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.

Abb.: Zähl­statistik (oben) eines Fehler­signals, das von einem...
Abb.: Zähl­statistik (oben) eines Fehler­signals, das von einem Einzel­ladungs­detektor erfasst wurde, dar­ge­stellt in Ab­hängig­keit der Anzahl an Wieder­holungen der Trans­fer­ope­ra­tion, die von Einzel­elek­tro­nen­schaltung aus­ge­führt wurden. Simu­la­tion des dem Mess­signal zu­grunde liegen­den Random-Walks (unten, blaue Linien). Die rote Linie zeigt einen ein­zel­nen Pfad des Fehler­signals. (Bild: PTB)

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

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