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HF- und Mikrowellen-Testgeräte

Grundvoraussetzung für das Quantencomputing

6. September 2023, 10:30 Uhr | Autor: Enrico Brinciotti / Redaktion: Diana Künstler

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Das Streben nach einer geringeren Fehlerrate

connect professional: Wie wird die Leistung eines Quantencomputers gemessen?

Brinciotti: Die Leistung von Qubit-Zustandsvorbereitungs-, Steuerungs- und Messungvorgängen wird mit Hilfe einer als Fidelity bezeichneten Metrik bewertet. Für jede dieser drei Aufgaben gibt es unterschiedliche Methoden zur Quantifizierung der Genauigkeit. Im Allgemeinen kann man sich die Fidelity (Wiedergabetreue) so vorstellen, dass sie angibt, wie nahe die Laborimplementierung einer Operation an ihrer idealen theoretischen Darstellung liegt. Eine Genauigkeit von 1 steht für eine perfekte Umsetzung und eine Genauigkeit von 0 für einen kompletten Fehlschlag. Das Vorhandensein von Rauschen, Drift, Verlusten oder Fehlkalibrierungen kann zu Fehlern in der Implementierung führen und somit die Fidelity kleiner als 1 machen. Die Fehlerrate charakterisiert den Betrag, um den die Fidelity einer Operation kleiner als 1 ist. Techniken zur effizienten und genauen Schätzung von Fidelities und Fehlerraten, insbesondere in größeren Quantenprozessoren, sind ein aktives Forschungsgebiet. Da die mit den derzeitigen Qubit-Techniken erreichte Wiedergabetreue für die Ausführung von Algorithmen zu gering ist, kann eine Technik, die als Quantenfehlerkorrektur (QEC) bekannt ist, verwendet werden, um die Fidelity zu verbessern, indem der Quantenzustand auf einer größeren Anzahl von physikalischen Qubits kodiert wird. Die QEC erfordert eine Mindesttreue der physikalischen Qubits und verwendet kontinuierliche Zyklen von Qubit-Messungen mit Rückkopplungskontrolle.

connect professional: Welche anderen Fehlerquellen als systematische Fehler gibt es?

Brinciotti: Quantencomputing basiert nicht auf Schaltkreisen wie das analoge klassische Computing, sondern verwendet einen diskreten Satz von Operationen, die auf einer diskreten Reihe von Zuständen ausgeführt werden und ein digitales Ergebnis liefern. Kontroll- und Messfehler können als digitale Fehler betrachtet werden, die mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auftreten – eine Tatsache, die der Fähigkeit zur Durchführung von QEC zugrunde liegt. Ein Quantencomputer ist sowohl von analogen Steuerfehlern (Über-/Unterdrehung, Abweichung der Drehachse) als auch von Dekohärenz-Umgebungsfehlern (zufällige Bitumkehrungen/Phasenwechsel) betroffen. Qubits haben eine intrinsische Fehlerwahrscheinlichkeit. Ist die Fehlerwahrscheinlichkeit ausreichend gering, lassen sich diese Fehler durch Redundanz- und Paritätsmessungen erkennen und beheben. Die genaue Anzahl der zusätzlichen Qubits, die für die Quantenfehlerkorrektur benötigt werden, hängt von der Wahrscheinlichkeit und der Art der Fehler ab. Für die Berechnung eines 2000-Bit-Verschlüsselungsschlüssels werden jedoch schätzungsweise 106 Qubits und ein Tag Laufzeit bei der Taktrate der derzeitigen Quantenprozessoren benötigt.

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Generell gilt: Je geringer die Fehlerrate, desto größer der Algorithmus, der erfolgreich ausgeführt werden kann. Daher ist das Streben nach einer geringeren Fehlerrate wichtig. Die aktuellen Fehlerraten für Steuerung und Messung liegen derzeit im Bereich von 10:2 bis 10:6 pro Operation – je nach Art der Operation und der Implementierung des physikalischen Qubits.

connect professional: Gibt es eine Fehlerschwelle, unterhalb derer ein Quantencomputer funktionieren muss?

Brinciotti: Eine allgemeine Faustregel besagt, dass Steuerfehler unterhalb einer Schwelle von etwa 10:4 pro Gatter für die meisten QEC-Protokolle niedrig genug sind und einige Fehler bis zu etwa 1Prozent pro Gatter tolerieren können. Eine zweite Faustregel besagt, dass je höher die Gatterfehlerrate ist, desto mehr Ressourcen (in Form von Qubits, Gatteroperationen und Messungen) sind für die Implementierung des QEC-Protokolls erforderlich – ein Overhead, der sehr umständlich werden kann, wenn sich die Fehlerraten dem Schwellenwert nähern. Ein praktisches Ziel für durchschnittliche Steuerfehlerraten ist 10:4 pro Gatter. Da Steuerfehler eine Ansammlung vieler verschiedener physikalischer Fehlermechanismen sind, einschließlich der den Qubits selbst innewohnenden Dekohärenzmechanismen, bedeutet das Erreichen dieses Ziels, dass jeder Fehlerbeitrag deutlich geringer sein sollte.

connect professional: Handelt es sich bei der Test- und Messtechnik für Qubits um ein völlig neues Gebiet oder um eine Weiterentwicklung bestehender Lösungen?

Brinciotti: Die wichtigsten Test- und Messgeräte, die für den Betrieb und die Prüfung eines Quantencomputers erforderlich sind, wurden aus bestehenden Lösungen entwickelt. Zu den typischen Lösungen, die für den Betrieb eines Qubits erforderlich sind, gehören AWG, Digitizer, Analogsignalgeneratoren, Synthesizer, VNA, Spektrumanalysatoren, Phasenrauschanalysatoren und Leistungsmessgeräte.

connect professional: Welche VNAs bietet Anritsu für das Quantencomputing an?

Brinciotti:

VectorStar: Hochleistungs-VNA für Forschung und Entwicklung im Bereich des Qubit-Designs, der Modellvalidierung, der Materialprüfung und zur Charakterisierung der Resonanzfrequenzen des Prozessors. Er kann bei der Fehlersuche in einzelnen Quantencomputerchips helfen und Entwickler bei der Durchführung von Zweitonmessungen unterstützen, um Resonanzfrequenzen und wichtige Qualitätsfaktoren der Testchips schnell zu bestimmen (Zuordnung der Ergebnisse auf die Kohärenzzeiten des Quantensystems).
ShockLine-VNA-Serie: Hochpräziser VNA für die Systemkalibrierung und -charakterisierung (Resonanzen und Q-Faktoren). MS46524B: Integrierter 4-Port-VNA mit 4 unabhängigen Quellen und 8 Empfängern. MS46131A/ME7868A: kompakter und modularer VNA, der mehrere parallele 1-Port-Messungen als auch verteilte 2-Port-Messungen mit einem Abstand zwischen den Ports von bis zu 100 m ermöglicht.

connect professional: Welche Signalgeneratoren bietet Anritsu für das Quantencomputing an?

Brinciotti:

Rubidium: für hohe spektrale Reinheit, atomare Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen OCXOs, branchenweit bestes Phasenrauschen (-140 dBc/Hz bei 10 GHz, 10 kHz Offset). Ideal für hochpräzises LO in Manipulations- und Ausleseblöcken, als hochstabiler Taktgeber mit geringem Jitter und zur Ansteuerung von Verstärkern.

In der EMEA-Region ist Anritsu eine Partnerschaft mit Anapico eingegangen und hat das Angebot in folgende Produkte integriert:

Anapico APMS: Mehrkanalige phasenkohärente Oszillationsquelle. Bis zu 4 völlig unabhängig einstellbare, phasenkohärente und phasenspeichernde Kanäle – bis zu 6, 12, 20, 33 und 40 GHz. Ideal als HF-LO für IQ-Modulatoren/Mischer und als Pumpquelle für parametrische Verstärker.
Anapico APVSG: Mehrkanaliger Vektorsignalgenerator. Bis zu 4 unabhängig einstellbare, phasenkohärente und phasenspeichernde Kanäle – bis zu 6, 12, 20, 33 und 40 GHz. Ideal als HF-LO für IQ-Modulatoren/Mischer und zur Erzeugung von Qubit-Manipulationssignalen.

connect professional: Welche Signalanalysatoren bietet Anritsu für das Quantencomputing an?

Brinciotti:

MS2840A: Äußerst rauscharmer Spektrumanalysator. Die hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Überprüfung des Gesamtsystemrauschens, der Verstärkerleistung und des Detektionsaufbaus sowie die Messung und Kalibrierung von I/Q-Mischern.
MS2850A: Spektrum-/Signalanalysator mit bis zu 1 GHz großer Analysebandbreite. Durch seine große Bandbreite und sein geringes Rauschen ist er eine große Hilfe bei der Analyse der IQ-modulierten gepulsten Signale in der Auslesekette und bei der Überwachung von Pulsspektren.
MS2090A: Tragbarer Echtzeit-Spektrumanalysator mit 110 MHz breiter Analysebandbreite. Bewertung der Signalqualität und Fehlersuche/-behebung. Durch seinen Formfaktor, seine Empfindlichkeit und seine Echtzeitfähigkeiten ist er ein wertvolles Tool, wenn es darum geht, unerwünschte Seitenbänder oder kurze und sporadische Störsignale zu erkennen.

In der EMEA-Region ist Anritsu eine Partnerschaft mit Anapico eingegangen und hat das Angebot mit einem Phasenrauschen-Analysator ergänzt: