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Neuer Durchbruch beim Quantencomputing könnte der Schlüssel zu groß angelegten Quantenchips sein

(Bildnachweis: Walden Kirsch/Intel Corporation)

Das Problem mit Qubits besteht darin, dass sie auf einem Phänomen der Quantenmechanik beruhen, das als . bekannt ist Überlagerung , die es einem subatomaren Teilchen ermöglicht, gleichzeitig zwei sich gegenseitig ausschließende Eigenschaften (wie den Spin eines Elektrons) zu haben.



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Quantencomputing-Ingenieure verwenden diese Überlagerung, um die Einsen und Nullen darzustellen, die die Grundlage der digitalen Technologie – das Bit – bilden, aber aufgrund der Überlagerung kann ein Qubit gleichzeitig eins und null sein (also ein Quantenbit machen, oder kurz Qubit).

Auf diese Weise kann ein Quantencomputer unglaublich komplexe Berechnungen durchführen, für die ein Intel Rocket Lake-Prozessor eine Milliarde Jahre benötigen würde, indem er alle möglichen Ergebnisse berechnet gleichzeitig .

Das Problem ist, dass in dem Moment, in dem Sie ein Qubit 'anschauen', seine Überlagerung in einen definierten Zustand zusammenbricht und es zu einem schlichten alten Bit wird und die unglaubliche Rechenleistung von Qubits verloren geht.

Dies macht eine effektive Kontrolle über sie, um Berechnungen durchzuführen, unglaublich schwierig, da alle Arten von Geräten erforderlich sind, um Störungen von außen zu blockieren und die Qubits so nahe wie möglich am absoluten Nullpunkt zu halten, damit sie größtenteils still bleiben und nicht aneinander stoßen, was alles gilt im Sinne der Quantenmechanik als 'schauen'.

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(Bildnachweis: Quantum Motion)

Dies hat Ingenieure gelähmt, die sich schwer getan haben, Dutzende, Hunderte oder höchstens ein paar Tausend Qubits zuverlässig zu kontrollieren, aber jetzt sagen Forscher der University of New South Wales (UNSW), dass sie das Problem der Qubit-Steuerung gelöst haben und möglicherweise entsperren die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings für unsere dringendsten Probleme der realen Welt wie medizinische Forschung, Klimavorhersage und vieles mehr.

'Bis zu diesem Zeitpunkt war die Steuerung von Elektronenspin-Qubits darauf angewiesen, dass wir Mikrowellenmagnetfelder lieferten, indem wir einen Strom durch einen Draht direkt neben dem Qubit leiteten', sagte Dr. Jarryd Pla, Fakultätsmitglied der UNSW School of Electrical Engineering and Telecommunications. 'Dies wirft einige echte Herausforderungen auf, wenn wir auf die Millionen von Qubits skalieren wollen, die ein Quantencomputer benötigt, um weltweit bedeutende Probleme zu lösen, wie zum Beispiel die Entwicklung neuer Impfstoffe.'

Das Problem ist, dass Sie zum Hinzufügen weiterer Qubits mehr Drähte hinzufügen müssen, um das Magnetfeld zu erzeugen, das zu ihrer Steuerung erforderlich ist. Drähte erzeugen jedoch Wärme, und zu viel Wärme kann dazu führen, dass Qubits in Bits zusammenbrechen, sodass es einfach nicht funktioniert, mehr Drähte in einen Quantenprozessor zu werfen.

Die Lösung des Forschers für dieses Problem bestand darin, die Drähte vollständig zu entfernen und die magnetischen Steuerfelder von oberhalb des Quantenchips mit einem Kristallprisma, einem sogenannten dielektrischen Resonator, anzulegen, mit dem Sie alle Qubits gleichzeitig steuern können.

'Zuerst haben wir den Draht neben den Qubits entfernt und dann einen neuartigen Weg entwickelt, um magnetische Kontrollfelder im Mikrowellenbereich über das gesamte System zu übertragen', sagte Dr. Pla. 'Wir könnten also im Prinzip Kontrollfelder bis zu vier Millionen Qubits liefern.'

Quantencomputing im großen Maßstab Realität werden lassen

Ich war völlig hin und weg, als [Dr. Pla] kam mit seiner neuen Idee zu mir, sagte Prof. Andrew Dzurak, ein Ingenieurskollege von Dr. Pla an der UNSW, der jahrelang an der Implementierung von Quantenlogik auf Siliziumchips gearbeitet hatte. Wir haben uns sofort an die Arbeit gemacht, um zu sehen, wie wir es in die Qubit-Chips integrieren können, die mein Team entwickelt hat.'

Wir waren überglücklich, als das Experiment erfolgreich war“, fügte er hinzu. „Dieses Problem, wie man Millionen von Qubits kontrolliert, hat mich lange Zeit beunruhigt, da es ein großes Hindernis für den Bau eines Quantencomputers in Originalgröße war.

Obwohl sich diese Forschung als entscheidender Schritt in Richtung weit verbreiteter, groß angelegter Quantencomputer erweisen könnte, gibt es noch viel zu tun. Eine der Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, besteht darin, dass, obwohl ein Quantencomputer so viele Ergebnisse berechnen kann, wie die Anzahl der Qubits zulässt, das tatsächliche Lesen der gewünschten Antwort aus denselben Qubits dieselbe Quantendekohärenz verursacht wie Wärme oder andere Interferenzen. Auch wenn ein Quantencomputer also alle möglichen Ergebnisse berechnet hat, kann man am Ende immer nur auf eines davon zugreifen.

'Der Trick besteht darin, Ihren Algorithmus geschickt zu entwerfen, damit sich am Ende der Berechnung die richtige Antwort ergibt, nach der Sie suchen, und trotzdem die Parallelität nutzen', sagte Dr. Pla per E-Mail zu ArmenianReporter. „Deshalb kann ein Quantencomputer ausgewählte Aufgaben nur schneller ausführen [als klassische Computer] (wie das Faktorisieren großer zusammengesetzter Primzahlen, das Durchsuchen von unsortierten Datenbanken usw.), weil es schwierig ist, solch clevere Algorithmen zu entwickeln – obwohl die Leute darin und mehr besser werden nützliche Beispiele tauchen fast täglich auf.'

Andere technische Herausforderungen müssen ebenfalls noch in Angriff genommen werden, wie zum Beispiel die Verfeinerung der Fehlerkorrektur, damit nicht so viele Qubits benötigt werden, um Quantenschaltungen zu bauen.

„Es ist sehr wichtig, den Unterschied zwischen einem ‚physikalischen Qubit‘ (d. h. in unserem Fall einem einzelnen Elektronenspin) und einem ‚logischen Qubit‘ zu beachten“, sagte uns Dr. Pla. „Wenn alle Ihre physikalischen Qubits mit unendlicher Präzision (überhaupt keine Fehler) gesteuert und gemessen werden könnten, dann hätten Sie einen 4-Millionen-Qubit-Quantencomputer, der so ziemlich jedes Problem lösen könnte, an das wir uns gerade denken könnten.

„Allerdings haben Qubits Fehler und diese Fehler wachsen in einer Quantenschaltung sehr schnell. Sie müssen daher eine Form der Fehlerkorrektur implementieren, bei der Qubits in Gruppen von Qubits codiert werden (dies wird als Quantenfehlerkorrektur bezeichnet). Die fehlergeschützten Qubit-Gruppen werden logische Qubits genannt. Wie viele Qubits Sie in den Gruppen benötigen, hängt sehr stark vom System ab, d. h. wie gut die Qubits miteinander verbunden sind und wie hoch die tatsächlichen Fehlerraten sind.

„Also brauchen wir zum Beispiel ungefähr 1000 physikalische Qubits, um ein nützliches logisches Qubit zu erzeugen, das in Berechnungen verwendet werden kann. Dadurch wird der 4-Millionen-Count auf 4000 heruntergefahren – was immer noch sehr nützlich ist. Auf dieser Ebene können Sie 2048-Bit-Zahlenverschlüsselungen knacken und komplizierte chemische Prozesse simulieren, Proteinstrukturen aufklären usw.'

Nun, es ist ein Anfang, und wir hätten das moderne Informationszeitalter nicht, ohne zuerst die Raumgröße zu produzieren ENIAC , aber hoffentlich haben wir nicht mehr lange zu warten, bis das Potenzial des Quantencomputings zum Tragen kommt.

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Autor von Computerpersonal

John (He / Him / His) ist der Computing Staff Writer von ArmenianReporter und auch Programmierer, Spieler, Aktivist und Alaun des Brooklyn College, der derzeit in Brooklyn, NY lebt. John wurde vom CTA für seine Wissenschafts- und Technologieberichterstattung zum CES 2020 Media Trailblazer ernannt .

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