Benchmark für Einzelelektronenschaltkreise

Neues Analyseverfahren für eine abstrakte und universelle Beschreibung der Genauigkeit von Quantenschaltkreisen (Gemeinsame Presseinformation mit der Universität Lettland)

Die Manipulation einzelner Elektronen mit dem Ziel, Quanteneffekte nutzbar zu machen, verspricht neue Fähigkeiten und Präzision in der Elektronik. In diesen gerade durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmten Einzelelektronenschaltungen treten dennoch auch Fehler auf – im besten Fall nur sehr selten.

Verständnis und Metrologie der Funktionsweise und die Genauigkeit dieser fundamentalen Unsicherheit sind daher für die weitergehende Entwicklung entscheidend. In Zusammenarbeit mit der Universität Lettland haben Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hierfür ein statistisches Testverfahren entwickelt. Ihre Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Einzelelektronenschaltkreise finden bereits 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, auch Benchmark genannt, 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 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 dieses 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.
(es/ptb)

Bildunterschrift:
Oben: Zählstatistik (ptx) eines Fehlersignals (x) das von einem Einzelladungsdetektor erfasst wurde, dargestellt in Abhängigkeit der Anzahl an Wiederholungen (t) der Transferoperation, die von Einzelelektronenschaltung ausgeführt wurden.
Unten: Simulation des diesem Messsignal zugrunde liegenden Random-Walks (blaue Linien). Die Linienbreite zeigt dabei die Häufigkeit an, mit der ein Schritt auftritt. Die rote Linie verdeutlicht beispielhaft einen einzelnen Pfad des Fehlersignals.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Niels Ubbelohde, Arbeitsgruppe 2.53 „Niedrigdimensionale Elektronensysteme“,
Telefon: (0531) 592-2534, E-Mail: niels.ubbelohde@ptb.de

Originalpublikation:

D. Reifert, M. Kokainis, A. Ambainis et al.: A random-walk benchmark for single-electron circuits. Nat Commun 12, 285 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-020-20554-w

http://www.ptb.de/