Informatik
Quantencomputing kommt der Realität durch den Einsatz harmonischer Oszillatoren einen Schritt näher
Securities.io hält strenge redaktionelle Standards ein und erhält möglicherweise eine Vergütung für geprüfte Links. Wir sind kein registrierter Anlageberater und dies stellt keine Anlageberatung dar. Bitte beachten Sie unsere Affiliate-Offenlegung.
Das Rennen um den Quantencomputer ist schon seit einigen Jahren in vollem Gange. Arzneimittelforschung, Materialwissenschaften, Optimierung, maschinelles Lernen und Kryptographie sind nur einige der Bereiche, die durch seine Fortschritte revolutioniert werden.
Doch trotz aller Fortschritte wird der Bau von Quantencomputern, die reale Probleme lösen, durch drei große Herausforderungen behindert:
- Fragile Quantenzustände
- Skalierung unter Beibehaltung der Kontrolle
- Kohärenz wahren
Nun hat ein Team der Technischen Universität Chalmers in Schweden einen wichtigen Schritt unternommen, um diese Herausforderungen anzugehen und die Entwicklung praktischer Quantencomputer zu beschleunigen. Sie veröffentlichte kürzlich eine neue Methode in der Zeitschrift Nature für die Manipulation von Quanteninformationen durch einstellbare Nichtlinearität in supraleitenden Schaltkreisen. Dadurch können komplexe Operationen an mehrdimensionalen Quantenzuständen schneller und genauer als je zuvor durchgeführt werden.
Bau praktischer Quantencomputer
Das Herzstück des Quantencomputings ist das Quantenbit oder Qubit, die grundlegende Einheit der Quanteninformation. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die entweder 0 oder 1 sind, können Qubits sowohl 0 als auch 1 und alles dazwischen sein. Qubits können auch miteinander verschränkt sein, wodurch Quantencomputer einige Berechnungen viel schneller durchführen können als klassische Computer.
Allerdings war es eine große Herausforderung, diese Fähigkeit zu erreichen. Eines der größten Probleme ist die Fragilität von Quantenzuständen. Qubits reagieren empfindlich auf ihre Umgebung und verlieren durch Dekohärenz schnell ihre Quanteneigenschaften, was zu Fehlern bei der Quantenberechnung führt und die Berechnungstiefe begrenzt.
Ein weiteres großes Problem ist die Skalierung. Je mehr Qubits einem Quantenprozessor hinzugefügt werden, desto schwieriger wird es, die Interaktionen zwischen ihnen zu kontrollieren und die Quantengatter zu implementieren. Dies liegt daran, dass die Kontrollsysteme und die Wechselwirkung zwischen den Qubits komplexer werden.
Und es gibt einen Kompromiss zwischen Kohärenz und Steuerbarkeit. Techniken, die Qubits kohärenter machen, wie etwa Fehlerkorrekturcodes, erfordern mehr Ressourcen und schränken einige Operationen ein. Systeme, die mehr Kontrolle über einzelne Qubits haben, wie gefangene Ionen oder supraleitende Schaltkreise, sind lauter und anfälliger für Dekohärenz.
„Stellen Sie sich ein Qubit als blaue Lampe vor, die quantenmechanisch gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden kann. Im Gegensatz dazu ist ein kontinuierlich variables Quantensystem wie ein unendlicher Regenbogen, der einen nahtlosen Farbverlauf bietet. Dies veranschaulicht seine Fähigkeit, auf eine große Anzahl von Zuständen zuzugreifen, was weitaus umfangreichere Möglichkeiten bietet als die zwei Zustände des Qubits.“
– Axel Eriksson, Forscher für Quantentechnologie an der Technischen Universität Chalmers und Hauptautor der Studie
Klicken Sie hier, um mehr über den aktuellen Stand des Quantencomputings zu erfahren.
Abstimmbare Nichtlinearitäten in supraleitenden Schaltkreisen
Das Team der Chalmers University unter der Leitung von Dr. Axel M. Eriksson und Dr. Simone Gasparinetti hat diese Probleme durch den Einsatz supraleitender Schaltkreise gelöst. Sie haben eine spezielle Komponente entwickelt, die als Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive Element (SNAIL)-Resonator bezeichnet wird.
SNAILs sind supraleitende Schaltungselemente mit starker, einstellbarer Nichtlinearität. Es handelt sich um eine supraleitende Schleife mit Josephson-Kontakten, dünnen isolierenden Barrieren, die Cooper-Paaren (gebundenen Elektronenpaaren) das Durchtunneln ermöglichen. Durch die asymmetrische Anordnung der Kontakte wurde ein Schaltungselement mit nichtlinearer Induktivität geschaffen.
„Wir haben ein System entwickelt, das komplexe Operationen an einem Mehrzustands-Quantensystem schneller ausführt als je zuvor.“
– Leitender Autor Dr. Simone Gasparinetti, Leiter des 202Q-Labors an der Chalmers University
Das Wichtigste, was das Chalmers-Team tat, war, einen SNAIL-Resonator in eine supraleitende Mikrowellenkavität einzubauen, einen bosonischen Modus zur Kodierung von Quanteninformationen. Sie wendeten Mikrowellenimpulse auf dieses Hybridsystem an und aktivierten und deaktivierten die Nichtlinearität im SNAIL, um alle möglichen Quantenoperationen schnell und präzise durchzuführen.
Quantencomputing mit kontinuierlichen Variablen
Eine der einzigartigen Eigenschaften des Ansatzes des Chalmers-Teams besteht darin, dass er über das Qubit-Paradigma hinausgeht und kontinuierlich variable (CV) Quantenzustände verwendet.
In einem CV-Quantensystem werden Informationen in den Amplituden- und Phasenquadraturen eines harmonischen Oszillators kodiert, wie etwa in einem Mikrowellenhohlraumfeld. Diese Quadraturen können einen kontinuierlichen Wertebereich annehmen, nicht nur 0 und 1 wie Qubits.
Laut dem leitenden Autor Dr. Simone Gasparinetti, Leiter des 202Q-Labors an der Chalmers University:
„Wir haben ein System geschaffen, das extrem komplexe Operationen auf einem Mehrzustands-Quantensystem mit einer beispiellosen Geschwindigkeit ermöglicht.“
Der CV-Ansatz hat Vorteile gegenüber dem Quantencomputing mit diskreten Variablen.
(i) Erstens kann ein einzelner CV-Modus Informationen im Umfang mehrerer Qubits kodieren, was weniger Hardware für fehlertolerantes Quantencomputing bedeutet.
(ii) Zweitens ermöglicht das Bewusstsein für CV-Zustände bessere Fehlerkorrekturcodes, die für Quantencomputer mit Rauschen und Dekohärenz erforderlich sind.
Ein großes Problem beim CV-Quantencomputing sind jedoch nicht-Gaußsche Operationen, die für universelles Quantencomputing erforderlich sind. Gaußsche Operationen wie Verschiebung und Kompression des Oszillatorzustands können mit linearen optischen Elementen oder Mikrowellenschaltungen durchgeführt werden, aber das reicht für eine Quantenbeschleunigung nicht aus, da es klassisch simuliert werden kann.
Nicht-Gaußsche Operationen erfordern nichtlineare Wechselwirkungen, die viel schwieriger zu erzeugen und zu kontrollieren sind. Frühere Versuche, CV-Modi mit nichtlinearen Elementen zu kombinieren, wurden durch den Kerr-Effekt vereitelt, der die Quanteninformationen durcheinander bringt und die Operationstreue verringert.
Das Chalmers-Team hat dieses Problem gelöst, indem es die Nichtlinearität im Inneren des SNAIL-Resonators konstruiert hat. Sie betreiben den SNAIL an einem sogenannten „Kerr-freien“ Punkt, an dem die unerwünschte Kerr-Nichtlinearität unterdrückt wird und die für nicht-Gaußsche Operationen erforderliche Nichtlinearität dritter Ordnung erhalten bleibt.
„Unsere Gemeinschaft hat oft versucht, supraleitende Elemente von Quantenoszillatoren fernzuhalten, um die fragilen Quantenzustände nicht zu verwirren. In dieser Arbeit haben wir dieses Paradigma in Frage gestellt. Durch die Einbettung eines Steuergeräts in das Herz des Oszillators konnten wir die Verwirrfung der vielen Quantenzustände vermeiden und sie gleichzeitig steuern und manipulieren. Als Ergebnis haben wir eine neuartige Reihe von Gate-Operationen demonstriert, die mit sehr hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.“
– Simone Gasparinetti
Ein universelles Torset
Um zu zeigen, was sie können, haben sie auf ihrer SNAIL-Resonator-Plattform einen universellen Gate-Satz erstellt. Dieser umfasst Gaußsche Gates wie Verschiebung und Quetschung sowie ein kubisches Phasengate, das nicht-Gaußsch ist.
Die Gaußschen Gatter wurden durch Anlegen von Mikrowellenimpulsen mit bestimmten Frequenzen an den SNAIL-Schaltkreis erzeugt. Das Ansteuern mit der Grundfrequenz führt zu einer Verschiebung, und das Ansteuern mit der doppelten Grundfrequenz führt zu einer Kompression. Dies dient der Vorbereitung und Manipulation kohärenter und komprimierter Zustände, die die Bausteine für die CV-Quanteninformationsverarbeitung sind.
Das kubische Phasengatter wurde durch die Kombination einer „Trisqueezing“-Interaktion (Ansteuerung mit der dreifachen Grundfrequenz) mit Ansteuerungen bei niedrigeren Frequenzen erzeugt. Dadurch wird eine nichtlineare Phasenverschiebung auf den Oszillatorzustand angewendet, die proportional zur dritten Potenz der Amplitude ist, daher der Name „kubische Phase“.
Das kubische Phasengatter wird für universelle CV-Quantencomputer benötigt, da es hochgradig nichtklassische Zustände wie Gottesman-Kitaev-Preskill-Zustände (GKP) erzeugt, die für eine fehlertolerante Quantenfehlerkorrektur vorgesehen sind. Das kubische Phasengatter mit Gaußschen Gattern erzeugt einen deterministischen nicht-Gaußschen Zustand, der als „kubischer Phasenzustand“ bezeichnet wird.
Die vom Chalmers-Team entwickelten Gatter wurden mit Impulsen von nur einigen zehn Nanosekunden erzeugt. Das ist 10-100 Mal schneller als frühere Implementierungen mit dispersiven Qubit-Oszillator-Kopplungen. Der Grund hierfür liegt in der starken Nichtlinearität des SNAIL-Resonators.
Deterministische kubische Phasenzustandspräparation
Ein weiteres Beispiel ist das Chalmers-Team, das seinen universellen Gate-Satz verwendet, um einen höchst nichtklassischen Quantenzustand zu erzeugen, der als kubischer Phasenzustand bezeichnet wird. Kubische Phasenzustände werden für die Quantenfehlerkorrektur, die Quantenmetrologie und das auf CV-Messungen basierende Quantencomputing benötigt.
Die Präparation des kubischen Phasenzustands erfolgte durch Anlegen von Gates an den Grundzustand (Vakuum) des SNAIL-Resonators. Zuerst wurde ein 20-ns-Quetschgate angelegt, um einen gequetschten Vakuumzustand zu erzeugen. Dann wurde ein 40-ns-kubisches Phasengate auf diesen gequetschten Zustand angelegt, und voilà, ein kubischer Phasenzustand mit einer Kubizität von 0.11.
Der Zustand wurde mit der Wigner-Tomographie charakterisiert, die eine Phasenraumverteilung des Quantenzustands erzeugt. Die Wigner-Funktion war stark negativ, was nicht klassisch ist und in keinem klassischen Oszillatorzustand beobachtet werden kann.
Die Genauigkeit des kubischen Phasenzustands in Bezug auf den Zielzustand betrug 92 %. Sie zeigten, dass die Kubizität des Zustands erhöht werden kann, indem man einfach die Dauer des kubischen Phasengates verlängert. Das ist viel besser als bei früheren Methoden zur Zustandsvorbereitung, bei denen für jeden Kubizitätswert eine vollständige Neuoptimierung der Steuersequenz erforderlich war.
Raum für Verbesserungen und künftige Arbeit
Die Leistungen des Chalmers-Teams sind bereits lobenswert, es bleibt jedoch noch viel zu tun:
SNAIL-Resonator
Eine Einschränkung der Quantenoperationen ist die Kohärenzzeit des SNAIL-Resonators. Sie haben Kohärenzzeiten von einigen Mikrosekunden, was für den Moment ausreichend ist, aber längere Kohärenzzeiten ermöglichen komplexere und tiefere Quantenschaltkreise. Die Optimierung der SNAIL-Schaltkreisparameter zur Reduzierung des Flussrauschens sowie die Abschirmung und Filterung der Mikrowellenumgebung sind Möglichkeiten zur Verbesserung der Kohärenz.
Das beinhaltet:
- Kohärenzzeit des SNAIL-Resonators (einige Mikrosekunden reichen für den Moment aus, aber länger ermöglicht komplexere Schaltkreise)
- Optimierung der SNAIL-Schaltungsparameter zur Reduzierung des Flussrauschens
- Abschirmung und Filterung der Mikrowellenumgebung
Skalierbarkeit
Ein weiterer Bereich, der verbessert werden muss, ist die Skalierbarkeit. Das Experiment wurde mit einem SNAIL durchgeführt, aber ein Quantencomputer im großen Maßstab benötigt mehrere SNAILs. Um die Skalierung zu erhöhen, könnte man mehrere SNAILs verwenden, die jeweils an ihre eigene Mikrowellenkavität angeschlossen sind. Dieser Aufbau ermöglicht die Erstellung von Multi-Qubit-Gates und verschränkten Zuständen durch die Gestaltung der Kopplung zwischen den Kavitäten. Dies erfordert jedoch die Kontrolle über die Herstellung und Abstimmung der SNAILs, um homogen und reproduzierbar zu sein.
- Skalierbarkeit (derzeit ein SNAIL, aber ein Quantencomputer im großen Maßstab braucht mehrere)
- Eine Reihe von SNAILs, jede mit ihrer eigenen Mikrowellenkammer
- Multi-Qubit-Gates und verschränkte Zustände im Array durch Kopplung zwischen Hohlräumen
- Kontrolle über die Herstellung und Abstimmung von SNAILs, um Homogenität und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten
Neben der Skalierung der Anzahl der CV-Modi müssen wir auch die Anzahl der Photonen in jedem Modus erhöhen. Die Nichtlinearität des SNAIL-Resonators weicht bei höheren Photonenzahlen von seinem idealen Verhalten ab, was die Größe des rechnerischen Hilbert-Raums begrenzt.
Eine Möglichkeit, dies zu beheben, besteht in der Verwendung eines Multi-SNAIL-Designs, bei dem die Nichtlinearität jedes SNAILs so konstruiert ist, dass sie sich bei höheren Ordnungen aufhebt, während die Interaktionen niedrigerer Ordnung erhalten bleiben.
Zu den weiteren möglichen Weiterentwicklungen gehören:
- Weitere CV-Modi
- Mehr Photonen in jedem Modus
- Aufgrund der Nichtlinearität im SNAIL-Resonator weicht dieser bei höheren Photonenzahlen vom Idealverhalten ab
- Begrenzt die Größe des rechnerischen Hilbert-Raums
- Multi-SNAIL-Design: Die Nichtlinearität jedes SNAILs wird bei höheren Ordnungen aufgehoben, während die Interaktionen niedrigerer Ordnung erhalten bleiben
In Zukunft möchte das Chalmers-Team seine SNAIL-Resonator-Plattform mit anderen Quantencomputerarchitekturen integrieren, um Hybridsysteme zu schaffen. Beispielsweise können SNAIL-vermittelte Interaktionen verwendet werden, um supraleitende Qubits und CV-Modi zu verschränken und so komplexe Multi-Qubit-Zustände zu erzeugen. Die schnellen und effizienten CV-Gates in dieser Arbeit können zur Quantenfehlerkorrektur bei codierten Qubits verwendet werden, was zu robusteren und skalierbareren Quantenprozessoren führen wird.
Eine spannende Aussicht ist die Integration der SNAIL-Resonator-Plattform mit optischen Quantensystemen. Supraleitende Schaltkreise, die bei Mikrowellenfrequenzen und kryogenen Temperaturen arbeiten, eignen sich gut für Quantencomputer. Optische Quantensysteme hingegen, die bei Raumtemperatur funktionieren, sind ideal für die Quantenkommunikation über große Entfernungen. Durch die Entwicklung eines Quantenfrequenzkonverters können wir das Beste aus beiden Welten kombinieren und einen skalierbaren und vernetzten Quantencomputer schaffen.
Einpacken
Was das Chalmers-Team erreicht hat, ist ein großer Fortschritt für praktische Quantencomputer. Sie haben die einstellbare Nichtlinearität in supraleitenden Schaltkreisen genutzt, um einen hardwareeffizienten und steuerbaren Quantencomputer zu entwickeln, der in der Lage ist, komplexe Operationen an mehrdimensionalen Quantenzuständen schnell und genau durchzuführen.
Dies stellt ein neues Paradigma im CV-NISQ-Computing dar. SNAIL-Resonatoren können schwierige Probleme in der Quantenchemie, Optimierung und im maschinellen Lernen lösen. Mit zunehmender Reife und Skalierung dieser Technologie werden sich Anwendungen ergeben, die mit klassischen Computern nicht möglich sind.
Allerdings ist der Bau großer, fehlertoleranter Quantencomputer immer noch mit erheblichen Herausforderungen verbunden, unter anderem hinsichtlich der Kohärenzzeit supraleitender Schaltkreise, der Anzahl der Qubits und CV-Modi sowie der Schnittstellen zwischen Quantencomputerplattformen.
Trotz dieser Herausforderungen hat das Quantencomputing als angewandte Wissenschaft große Fortschritte gemacht, und das Chalmers-Team hat maßgeblich dazu beigetragen, seine Grenzen zu überwinden. Sie haben den Werkzeugkasten des Quantencomputings erweitert und uns neue Möglichkeiten zur Nutzung der Quantenmechanik gezeigt. Jetzt sind wir dem zugänglichen Quantencomputing einen Schritt näher gekommen.
Da sich Theorie und Experimente immer schneller entwickeln, sah die Zukunft des Quantencomputings nie besser aus. Quantencomputer werden eine Vielzahl von Rechenaufgaben in Bereichen wie Arzneimittelforschung, Materialdesign, Kryptographie und künstlicher Intelligenz exponentiell beschleunigen. Zusammen mit Fortschritten in Technologien wie der KI versichern uns diese Entwicklungen, dass die Welt am Rande tiefgreifender Veränderungen steht, die man sich kaum vorstellen kann.
Klicken Sie hier, um eine Liste der fünf besten Unternehmen im Bereich Quantencomputer anzuzeigen.
