Qubits verstehen – Durchbrüche bei Teleportation und kontrollierter Interaktion

In der Welt des Quantencomputings ist viel los. Der Chipriese Nvidia hat eine Open-Source-CUDA-Q-Plattform auf den Markt gebracht, um die Quantencomputing-Bemühungen zu beschleunigen, während China seinen größten Quantencomputing-Chip entwickelt hat. Dann gibt es Wissenschaftler der Universität Manchester, die ultrareines Silizium entwickelt haben, das den Weg für Computer der nächsten Generation ebnet.

All diese Aufregung und Entwicklung rund um Quantencomputer macht Sinn, wenn man bedenkt, dass die Technologie in verschiedenen Bereichen ein enormes Potenzial birgt, darunter Kryptographie, Arzneimittelentwicklung, Lösung komplexer Optimierungsprobleme, Verbesserung von Algorithmen für maschinelles Lernen und vieles mehr.

Quantencomputer können all dies erreichen, indem sie sich die Quantentheorie zunutze machen, die das Verhalten und die Natur von Materie und Energie auf atomarer und noch kleinerer subatomarer Ebene beschreibt. Quantencomputing nutzt subatomare Teilchen wie Photonen und Elektronik. Qubits (Quantenbits) ermöglichen dann, dass diese Teilchen gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren und von Steuergeräten manipuliert werden.

Um exponentiell schnellere Geschwindigkeiten als Ihr herkömmlicher Computer zu bewältigen und gleichzeitig weniger Energie zu verbrauchen, nutzen Quantencomputer Superposition und Verschränkung. 

Bei der Superposition werden zwei oder mehr Quantenzustände hinzugefügt, um einen weiteren gültigen Quantenzustand zu erzeugen. Durch die Überlagerung von Qubits können Quantencomputer Millionen von Operationen gleichzeitig verarbeiten.

Eine Verschränkung entsteht, wenn zwei Systeme miteinander verbunden sind, so dass die Kenntnis des Zustands des einen Systems unmittelbare Erkenntnisse über das andere System ermöglicht. Dieser ermöglicht es Quantencomputern, komplexe Probleme schnell zu lösen.

Das Problem hierbei ist die Dekohärenz, also der Verlust des Quantenzustands in einem Qubit aufgrund von Faktoren wie Strahlung, Vibration oder Temperaturänderungen. Dieser verursacht Rechenfehler. Um Qubits vor Störungen zu schützen, haben sie sind in Vakuumkammern, Isolierungen und unterkühlten Kühlschränken. 

Wie wir gesehen haben, spielen Qubits eine entscheidende Rolle bei der Quanteninformatik, aber nicht alles bekannt ist über sie. Allerdings haben zwei kürzlich durchgeführte unabhängige Experimente unser Verständnis von Qubits erweitert und einen wichtigen Schritt auf dem Weg zum Aufbau eines funktionsfähigen Quantencomputers markiert.

Quantenteleportation erreicht

Neue Forschungen haben die Quantenteleportation trotz all des Rauschens, das typischerweise die Übertragung des Quantenzustands stört, erfolgreich erreicht. Bei der Teleportation wird ein Qubit von einem Ort an einen anderen übertragen, ohne das Teilchen selbst zu senden. 

In der Theorie, Die Übertragung des Quantenzustands kann erfolgen ohne Probleme, aber in der realen Welt verschlechtern Störungen und Geräusche die Qualität der Quantenteleportation. Die Forscher der neuesten Studie fanden heraus, dass es eine große Leistung ist, trotz des Rauschens eine perfekte Quantenteleportation zu erreichen.

Veröffentlicht in der Zeitschrift Science Advances, der Studie spricht darüber, wie Verschränkung und Dekohärenz Gegenkräfte vieler Quantenprotokolle und -technologien sind. 

ADer Forschung zufolge ist die Quantenverschränkung, die in Korrelationen über beliebig große Entfernungen auftritt, für die Grundlagen der Quantenmechanik von großer Bedeutung. Es gibt viele Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Kommunikation. Allerdings sind die Wechselwirkungen zwischen einem Quantensystem und seiner Umgebung unvermeidbar, und Dekohärenz kann die Leistung dieser Anwendungen erheblich beeinträchtigen. 

Während es viele vielversprechende Protokolle zur Dekohärenzunterdrückung gibt, wobei neuere Arbeiten dekohärenzfreie Unterräume, dynamische Entkopplung, Quantenfehlerkorrekturcodes, verzögerte kohärente Quantenrückkopplung und Reservoir-Engineering mit Hilfssubsystemen nutzen, ist die Vermeidung von Dekohärenz in der Praxis äußerst anspruchsvoll.

Daher schlug die Studie ein effizientes Protokoll für die Quantenteleportation in absoluter Dekohärenz vor. 

Die von Forschern der Universität für Wissenschaft und Technologie von China, Hefei, und der Universität von Turku, Finnland, durchgeführte Studie nutzte eine mehrteilige Hybridverschränkung zwischen den Hilfs-Qubits und ihren lokalen Umgebungen im Kontext eines offenen Quantensystems, wodurch hohe Ergebnisse erzielt werden konnten Genauigkeit. 

Laut den Forschern ist die lineare Optik eine besonders robuste Plattform für die Durchführung verschiedener Quanteninformationsprotokolle und die Untersuchung von Dekohärenzproblemen. 

Laut Jyrki Piilo, Professor an der Universität Turku, nutzt die Arbeit in dieser Studie den Begriff der verteilten Verschränkung. Diese Verschränkungsverteilung geht über die verwendeten Qubits hinaus und erledigt bevor Sie das Protokoll ausführen. Dieser bedeutet „die hybride Verflechtung verschiedener physikalischer Freiheitsgrade auszunutzen“, sagte Piilo.

Traditionell wird Photonenpolarisation verwendet, um Qubits bei der Teleportation zu verschränken. Der neue Ansatz nutzt jedoch die hybride Verschränkung zwischen Photonenpolarisation und -frequenz.

Dieser bringt eine große Veränderung in der Art und Weise mit sich, wie Rauschen das Protokoll beeinflusst. Tatsächlich „kehrt die Entdeckung die Rolle des Lärms von schädlich zu vorteilhaft für die Teleportation um“, erklärte Piilo.

Traditionell funktioniert das Teleportationsprotokoll nicht, wenn nicht nur während der Qubit-Verschränkung Rauschen auftritt, sondern auch, wenn zunächst eine hybride Verschränkung ohne Rauschen vorliegt. Im Gegensatz dazu verlaufen sowohl die Teleportation als auch der Quantenzustandstransfer nahezu perfekt, wenn zunächst eine hybride Verschränkung vorliegt und dann Rauschen hinzukommt.

Auf diese Weise ermöglicht die neueste Entdeckung eine nahezu ideale Teleportation trotz des mit der Verwendung von Photonen verbundenen Rauschens.

Die Forscher nennen dies ein „bedeutendes Proof-of-Principe-Experiment“, wobei Dr. Zhao-Di Liu von der University of Science and Technology of China, Hefei, anmerkt:

„Obwohl wir in unserem Labor zahlreiche Experimente zu verschiedenen Aspekten der Quantenphysik mit Photonen durchgeführt haben, war es sehr aufregend und lohnend, diesem sehr anspruchsvollen Teleportationsexperiment beizuwohnen erfolgreich abgeschlossen."

In der Studie wurde festgestellt, dass die hybride Verflechtung ihnen neben der Bekämpfung der Dekohärenz auch dabei geholfen hat, eine weitere Ebene der Sicherheit zu schaffen. In der Studie heißt es:

„Es wäre eine interessante zukünftige Forschungslinie, zu untersuchen, wie tief Die teleportierten Informationen können ausgeblendet werden" 

Dies ist erst der Anfang. Die Studie ist von grundlegender Bedeutung, da sie als Basisforschung neue Wege für zukünftige Arbeiten im Bereich Quantenprotokolle eröffnet. Eine Anwendung der Technik ist der Zustandstransfer außerhalb der Quantenteleportation und jenseits dekohärenzfreier Subräume.

Die Forschung eröffnet auch die Möglichkeit zu sehen, ob Dekohärenz dies kann umgekehrt werden in anderen physischen Plattformen, einschließlich unterschiedlicher Lärmquellen.

Klicken Sie hier, um mehr über den aktuellen Stand des Quantencomputings zu erfahren.

Realisierung eines Zwei-Qubit-Gatters in einem herkömmlichen Siliziumtransistor

Die andere Studie, die wurde durchgeführt von Forschern der ältesten Universität der Schweiz, der Universität Basel, in Zusammenarbeit mit denen des National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, machte einen Durchbruch durch eine kontrollierbare Wechselwirkung zwischen zwei Lochspin-Qubits in einem herkömmlichen Siliziumtransistor. 

Die in „Nature“ veröffentlichte Studie, die von der Universität Basel Open-Access-Mittel erhielt, stellte fest, dass Halbleiter-Spin-Qubits das Potenzial bieten, industrielle Transistortechnologie zur Herstellung großer Quantencomputer einzusetzen. 

Damit ein Quantencomputer Berechnungen durchführen kann, benötigt er sogenannte Quantengatter. Dabei handelt es sich um Operationen, die die Qubits manipulieren und miteinander koppeln. Den Forschern der neuesten Studie gelang es nicht nur, zwei Qubits zu koppeln, sondern auch eine kontrollierte Umkehrung des Spins eines Qubits zu bewirken, die vom Spinzustand des anderen abhängt. Die Kopplung beruht auf der Austauschwechselwirkung der beiden Spin-Qubits.

„Lochspins ermöglichen es uns, Zwei-Qubit-Gates zu schaffen, die sowohl schnell als auch hochpräzise sind. Dieses Prinzip ermöglicht nun auch die Kopplung einer größeren Anzahl von Qubit-Paaren.“ 

– Dr. Andreas Kuhlmann

Forscher haben bereits vor einigen Jahren gezeigt, dass sich das Loch in einem bestehenden elektronischen Gerät dreht und eingefangen und als Qubits verwendet werden kann. Nun führte Kuhlmann dieses Basler Physikerteam zum Erfolg bei der Realisierung einer Wechselwirkung zwischen zwei Qubits lässt sich steuern.

Während die fraglichen Qubits davon profitieren, dass sie elektrisch steuerbar sind und Sweet Spots zur Aufhebung von Ladung und Rauschen haben, war der Nachweis einer Zwei-Qubit-Wechselwirkung eine Herausforderung.

Ein fehlender Faktor war der Studie zufolge das Verständnis der Austauschkopplung während einer starken Spin-Bahn-Wechselwirkung. Um dieses Problem zu lösen, untersuchten die Wissenschaftler zwei Loch-Spin-Qubits in einem Silizium-FinFET (Fin-Feldeffekttransistor). Spin-Bahn-Kopplung bedeutet, dass der Spinzustand eines Lochs durch seine Bewegung im Raum beeinflusst wird.

Also Spin-Qubits mit Halbleiter-Quantenpunkten (QD). wurden gesehen als am besten geeignet für zukünftige Implementierungen groß angelegter Quantenschaltungen. Doch selbst der fortschrittlichste spinbasierte Quantenprozessor ermöglicht derzeit die universelle Steuerung von sechs Elektronenspin-Qubits in Silizium (Si). Dieser Kurz darauf folgt eine Vier-Qubit-Demonstration mit Löchern im Germanium. 

Für die Studie nutzten die Forscher ein Qubit, das den Spin eines Elektrons oder eines Lochs nutzt. Sowohl Elektronen als auch Löcher drehen sich und nehmen entweder den Aufwärts- oder den Abwärtszustand ein. 

Lochspins können im Vergleich zu Elektronenspins vollständig elektrisch gesteuert werden, ohne dass eine Bahnentartung oder zusätzliche Komponenten wie Mikromagnete auf dem Chip erforderlich sind, was die Gleichung komplexer macht. Dieser ist auf ihre intrinsische Spin-Bahn-Wechselwirkung (SOI) zurückzuführen. Löcher profitieren außerdem von der verringerten Hyperfeinwechselwirkung und dem Fehlen eines Tals.

Somit demonstriert die Studie die Fähigkeit, den Austausch elektrisch zu steuern und einen bedingten Spin-Flip in 24 ns durchzuführen. Der Austausch-Hamiltonianer hat nicht mehr die Heisenberg-Form und kann so konstruiert werden, dass er zwei-Qubit-gesteuerte Rotationstore ermöglicht, ohne dass die Geschwindigkeit zugunsten der Genauigkeit geopfert wird oder umgekehrt. Laut der Forschung:

„Dieses ideale Verhalten gilt für einen weiten Bereich von Magnetfeldausrichtungen, was das Konzept robust gegenüber Variationen von Qubit zu Qubit macht, was darauf hindeutet, dass es ein geeigneter Ansatz für die Realisierung eines Quantencomputers im großen Maßstab ist.“

Diese Studie legt das Potenzial nahe, Millionen von Lochspin-Qubits auf nur einem Chip anzuordnen. Sein Ansatz zeigt auch große Möglichkeiten für die Entwicklung eines Quantencomputers im großen Maßstab.

Zukünftige Verbesserungen bei der Geräteherstellung sind erforderlich, um die Variabilität zu verringern. In Kombination mit robusten Sweet Spots mit kontrollierter Rotation (CROT) werden diese Fortschritte „Zwei-Qubit-Gate-Operationen mit anisotropem Austausch für große Qubit-Arrays äußerst attraktiv machen.“

Die Forschungsfortschritte können FinFET in Kombination mit schnellem Auslesen und Betrieb über 1 K ermöglichen verwendet werden als universeller Quantenprozessor, angeordnet auf einem Chip, der in der klassischen Steuerelektronik zum Einsatz kommt.

Unternehmen, die an der Entwicklung von Quantencomputern beteiligt sind

Werfen wir nun einen Blick auf Unternehmen, die aktiv an Quantencomputern arbeiten:

# 1. IBM

IBM ist seit vielen Jahren führend in der Quantencomputing-Forschung und hat IBM Q System One entwickelt, den ersten schaltungsbasierten kommerziellen Quantencomputer. Das Unternehmen bietet Zugriff auf seine Quantensysteme über die IBM Quantum Experience-Plattform. 

Anfang dieses Monats stellte IBM seinen Quantenprozessor Condor mit mehr als 1,000 Qubits und seinen Großprozessor IBM Quantum Heron mit 133 Qubits vor. Außerdem wurde die Einführung eines modularen Quantencomputers, Quantum System Two, angekündigt. Unterdessen möchte IBM mit dem Software-Stack Qiskit die Entwicklung des Quantencomputings allgemein zugänglich machen.

In diesem Jahr gab das japanische nationale Forschungslabor RIKEN bekannt, dass es den Quantenprozessor und die Quantencomputerarchitektur von IBM zur Integration mit dem Supercomputer Fugaku einsetzen wird. 

Die jüngste Forschung des Unternehmens auf dem Gebiet umfasst mittlerweile:

• Fehlertoleranter Quantenspeicher mit hohem Schwellenwert und geringem Overhead.
• Kodierung eines magischen Zustands mit einer Wiedergabetreue, die über die Gewinnschwelle hinausgeht.
• Simulation großer Quantenspinketten auf cloudbasierten supraleitenden Quantencomputern.

Zum Zeitpunkt des Schreibens werden die Aktien des Unternehmens bei 167.36 US-Dollar gehandelt, was einem Anstieg von 2.33 % seit Jahresbeginn entspricht, während die Marktkapitalisierung 153.73 Milliarden US-Dollar beträgt. IBM hat einen Umsatz (TTM) von 62.07 Milliarden US-Dollar, einen Gewinn pro Aktie (TTM) von 9.19 und ein KGV (TTM) von 18.22 gemeldet. Die Dividendenrendite beträgt 3.99 %. 

In der jüngsten Finanzberichterstattung für das erste Quartal 1 verzeichnete IBM einen Umsatzanstieg von 2024 % gegenüber dem Vorjahr im Quartal auf 1.5 Milliarden US-Dollar und einen freien Cashflow von 14.5 Milliarden US-Dollar. Das Unternehmen stellt fest, dass sein „solides Umsatz- und Free-Cashflow-Wachstum“ die Stärke seiner Cloud- und KI-Strategie widerspiegelt.

# 2. Google 

In der Welt des Quantencomputings hat Google mit seinem Quantum AI-Labor, das sowohl an Hardware als auch an Software arbeitet, große Fortschritte gemacht. Vor einigen Jahren brachte die Abteilung Sycamore auf den Markt, einen 53-Qubit-Quantenprozessor. Derzeit konzentriert sich die Hardware des Tech-Giganten auf supraleitende Qubits, während sein fortschrittlicher Software-Stack die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings erforscht. 

Vor ein paar Monaten startete Google einen mehrjährigen, globalen Wettbewerb zur Suche nach realen Anwendungsfällen für Quantencomputing mit einem Preisgeld von 5 Millionen US-Dollar wird geteilt unter den Finalisten. Google stellte im März fest:

„Zwar gibt es viele Gründe, hinsichtlich des Potenzials des Quantencomputings optimistisch zu sein, doch wir tappen noch immer im Dunkeln, was das volle Ausmaß dessen angeht, wie, wann und für welche realen Probleme sich diese Technologie als am umwälzendsten erweisen wird.“ 

Das Unternehmen ist aktuell Forschungsprojekte in diesem Bereich umfasst die Unterdrückung von Quantenfehlern durch Skalierung eines logischen Qubits mit Oberflächencode, Phasenübergänge bei der Zufallsschaltungsabtastung sowie messungsinduzierte Verschränkung und Teleportation auf einem verrauschten Quantenprozessor.

Zum Zeitpunkt des Schreibens werden die Aktien des Unternehmens bei 107.48 US-Dollar gehandelt, was einem Anstieg von 21.94 % seit Jahresbeginn entspricht, während die Marktkapitalisierung 2.12 Billionen US-Dollar beträgt. Google hat einen Umsatz (TTM) von 218.14 Milliarden US-Dollar bei einem EPS (TTM) von 6.52 und einem KGV (TTM) von 26/13 gemeldet. Es zahlt eine Dividendenrendite von 0.47 %. 

Für das erste Quartal 1 meldete das Unternehmen einen Umsatzsprung von 24 % auf 13 Milliarden US-Dollar, einen Nettogewinn von 86.3 Milliarden US-Dollar und die erste Dividende von 20.28 US-Dollar pro Aktie. Im Frühjahr 20 erreichte die Marktkapitalisierung einen neuen Meilenstein von 2024 Billionen US-Dollar und machte das Unternehmen damit zum viertwertvollsten börsennotierten Unternehmen der Welt.

Fazit

Es gab einen Wettlauf um den Bau eines funktionsfähigen Quantencomputers, für den Forscher sind fokussiert über das Verständnis von Qubits und die Arbeit mit verschiedenen Qubit-Technologien. Qubits sind die Basis des Quantencomputers, da sie die gesamte Verarbeitung, Übertragung und Speicherung von Daten übernehmen. Daher dreht sich die gesamte Forschung um Qubits, einschließlich der beiden neuesten hier behandelten, die beim Aufbau eines praktischen Quantencomputers helfen sollen.

Klicken Sie hier für die Liste der fünf besten Quantencomputing-Unternehmen.