Am 9. Juli veröffentlichte das Diraq-Team in Nature Communications experimentelle Ergebnisse eines 8-Qubit-Silizium-Spin-Arrays. Die Forscher verwendeten ein 300-mm-SiMOS-Bauelement, das vom belgischen Forschungszentrum für Mikroelektronik hergestellt wurde, um die Abstimmung, unabhängige Adressierung und kohärente Steuerung von acht Quantenpunkten durchzuführen. Das Bauelement nutzt einen mit dem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Prozess kompatiblen Wafer-Herstellungsablauf und wurde von der vorherigen 2-Qubit-Einheit auf ein lineares 8-Qubit-Array erweitert.
Das experimentelle Bauelement besteht aus acht linear angeordneten Silizium-Quantenpunkten. An beiden Enden des Arrays sind jeweils Einzelelektronentransistoren integriert, die den Spin-Zustand in ein messbares Ladungssignal umwandeln. Die Quantenpunkte sind auf isotopenreinem Silizium-28-Material aufgebaut, mit einer Restkonzentration von Silizium-29 von etwa 400 ppm; der Gate-Abstand beträgt 90 Nanometer. Bei der Herstellung werden optische Lithographie und Elektronenstrahllithographie kombiniert, um die Gate-Struktur der Quantenpunkte, die Defektdichte und das elektrische Rauschen des Bauelements zu kontrollieren. Jeweils zwei benachbarte Quantenpunkte bilden eine Doppelquantenpunkt-Einheit, und die acht Qubits werden durch vier Gruppen von Doppelquantenpunkten jeweils einzeln abgestimmt, wodurch der Kalibrierungsprozess des gesamten Arrays in mehrere einzeln steuerbare lokale Einheiten aufgeteilt wird.
Bei allen acht Qubits wurden Resonanzsteuerung und Kohärenzmessungen durchgeführt. Die gemessene Ramsey-Dekohärenzzeit des Arrays betrug maximal 41 Mikrosekunden, die Hahn-Echo-Kohärenzzeit erreichte maximal 1,31 Millisekunden.
Nach Anlegen eines äußeren Gleichmagnetfelds von 0,5 Tesla in der Ebene erzeugten die Elektronenspin-Energieniveaus eine Zeeman-Aufspaltung von etwa 14 GHz. Die feinen Unterschiede im elektronischen g-Faktor zwischen verschiedenen Qubits ermöglichten es den Forschern, mit unabhängigen Elektronenspinresonanz-Mikrowellenimpulsen Ziel-Qubits auszuwählen. Einzel-Qubit-Xπ/2-Gatter wurden durch zeitlich gesteuerte Mikrowellenimpulse realisiert, Zπ/2-Gatter durch virtuelle Phasenverschiebungen in der Mikrowellenquelle; die Heisenberg-Austauschwechselwirkung zwischen benachbarten Qubits wurde durch die Spannung der Barrieren-Gates gesteuert und zur Ausführung von kontrollierten Phasengattern verwendet. Das Experiment war zudem mit einem Echtzeit-Rückkopplungsprogramm ausgestattet, das kontinuierlich die Arbeitsspannung der Einzelelektronentransistoren und die Larmor-Frequenz der Qubits verfolgte, um Parameterdrift während des Betriebs zu korrigieren.
Für die Auslese wurde ein zweistufiges kaskadiertes Ladungssensor-Schema verwendet. Die beiden Gruppen von Qubits an den Enden des Arrays wurden direkt über die Einzelelektronentransistoren ausgelesen, während die vier Qubits in der Mitte zunächst eine elektronische Kaskadenbewegung in den äußeren Quantenpunkten auslösten, woraufhin die Sensoren an beiden Enden die verstärkte Ladungsänderung detektierten. Diese Methode ermöglicht die Auslese des Spin-Zustands der Qubits in der Mitte des linearen Arrays, ohne dass neben jeder Gruppe von Quantenpunkten ein separater Sensor hinzugefügt werden muss.
Das Team führte außerdem Zwei-Qubit-Gatteroperationen mit geringem Phasenrauschen zwischen benachbarten Qubits durch. Die Arbeit demonstriert derzeit die Steuerung von Zwei-Qubit-Gattern für ein Paar benachbarter Qubits; eine einheitliche Kalibrierung aller verschränkenden Gatter zwischen den vier Gruppen von Doppelquantenpunkten wurde noch nicht abgeschlossen.
Es ist zu beachten, dass die Arbeit keinen einheitlichen Indikator „Erreichen einer 99%igen Operationsgenauigkeit für das gesamte 8-Qubit-Array“ veröffentlichte. Die über 99% liegende Genauigkeit von Einzel-Qubit- und Zwei-Qubit-Gattern stammt aus früheren Tests einer 2-Qubit-Einheit im selben 300-mm-CMOS-Prozess; die wichtigsten in diesem 8-Qubit-Experiment veröffentlichten Indikatoren sind die vollständige Abstimmung und unabhängige Steuerung aller acht Quantenpunkte, die Aufrechterhaltung der Kohärenzzeit, die kaskadierte Auslese der vier zentralen Qubits sowie die Durchführung von Zwei-Qubit-Gatteroperationen mit geringem Phasenrauschen zwischen benachbarten Qubits.