Letztes Jahr erhielten Forscher am Fermilab über 3,5 Millionen US-Dollar für Projekte, die sich mit dem aufstrebenden Bereich der Quanteninformationswissenschaft befassen. Die durch das Stipendium finanzierte Forschung reicht vom Bau und der Modellierung von Geräten für eine mögliche Verwendung bei der Entwicklung von Quantencomputern bis hin zur Verwendung ultrakalter Atome zur Suche nach dunkler Materie.
Für ihr Quantencomputerprojekt arbeiten der Fermilab-Teilchenphysiker Adam Lyon und der Informatiker Jim Kowalkowski mit Forschern des Argonne National Laboratory zusammen, wo sie Simulationen auf Hochleistungscomputern durchführen werden. Ihre Arbeit wird dazu beitragen, festzustellen, ob Instrumente, die als supraleitende Hochfrequenzkavitäten bezeichnet werden und auch in Teilchenbeschleunigern verwendet werden, eines der größten Probleme lösen können, mit denen die erfolgreiche Entwicklung eines Quantencomputers konfrontiert ist: die Dekohärenz von Qubits.
„Fermilab hat Pionierarbeit bei der Herstellung supraleitender Hohlräume geleistet, die Teilchen auf engstem Raum auf ein extrem hohes Maß beschleunigen können“, sagte Lyon, einer der leitenden Wissenschaftler des Projekts. „Es stellt sich heraus, dass dies direkt auf ein Qubit anwendbar ist.“
Forscher auf diesem Gebiet haben an der erfolgreichen Entwicklung gearbeitetQuantencomputingGeräte der letzten Jahrzehnte; Bisher war es schwierig. Dies liegt vor allem daran, dass Quantencomputer sehr stabile Bedingungen aufrechterhalten müssen, um Qubits in einem Quantenzustand namens Superposition zu halten.
Überlagerung
Klassische Computer verwenden ein binäres System aus Nullen und Einsen – Bits genannt – zum Speichern und Analysieren von Daten. Acht Bits zusammen ergeben ein Datenbyte, das aneinandergereiht werden kann, um noch mehr Informationen zu kodieren. (Ein durchschnittlicher dreiminütiger digitaler Song enthält etwa 31,8 Millionen Bytes.) Im Gegensatz dazu sind Quantencomputer nicht durch ein striktes Binärsystem eingeschränkt. Sie arbeiten vielmehr mit einem System von Qubits, von denen jedes während der Berechnung eine kontinuierliche Reihe von Zuständen annehmen kann. So wie ein Elektron, das einen Atomkern umkreist, keinen diskreten Ort hat, sondern in einer Elektronenwolke alle Positionen seiner Umlaufbahn gleichzeitig einnimmt, kann ein Qubit in einer Überlagerung von 0 und 1 gehalten werden.
Da es für jedes Qubit zwei mögliche Zustände gibt, verdoppelt ein Paar die Menge an manipulierbaren Informationen: 22= 4. Wenn Sie vier Qubits verwenden, wächst die Informationsmenge auf 24= 16. Bei diesem exponentiellen Anstieg wären nur 300 verschränkte Qubits nötig, um mehr Informationen zu kodieren, als es Materie im Universum gibt.
Parallele Positionen
Qubits stellen Daten nicht auf die gleiche Weise dar wie Bits. Da überlagerte Qubits gleichzeitig 0 und 1 sind, können sie auf ähnliche Weise alle möglichen Antworten auf ein bestimmtes Problem gleichzeitig darstellen. Dies wird als Quantenparallelität bezeichnet und ist eine der Eigenschaften, die Quantencomputer so viel schneller machen als klassische Systeme.
Der Unterschied zwischen klassischen Computern und ihren Quantengegenstücken könnte mit einer Situation verglichen werden, in der es ein Buch gibt, auf dem einige Seiten zufällig mit blauer statt schwarzer Tinte gedruckt sind. Den beiden Computern wird die Aufgabe übertragen, zu ermitteln, wie viele Seiten in jeder Farbe gedruckt wurden.
„Ein klassischer Computer würde jede Seite durchgehen“, sagte Lyon. Jede Seite würde einzeln markiert werden, entweder in Schwarz oder in Blau gedruckt. „Ein Quantencomputer würde die Seiten nicht nacheinander, sondern alle auf einmal durchgehen.“
Sobald die Berechnung abgeschlossen war, würde Ihnen ein klassischer Computer eine eindeutige, diskrete Antwort geben. Wenn das Buch drei Seiten in Blau hätte, wäre das die Antwort, die Sie erhalten würden.
„Aber ein Quantencomputer ist von Natur aus probabilistisch“, sagte Kowalkowski.
Das bedeutet, dass die Daten, die Sie zurückerhalten, nicht eindeutig sind. In einem Buch mit 100 Seiten wären die Daten eines Quantencomputers nicht nur drei. Es könnte Ihnen beispielsweise auch eine 1-prozentige Chance auf drei blaue Seiten oder eine 1-prozentige Chance auf 50 blaue Seiten geben.
Bei der Interpretation dieser Daten entsteht ein offensichtliches Problem. Ein Quantencomputer kann mit parallelen Qubits unglaublich schnelle Berechnungen durchführen, spuckt aber nur Wahrscheinlichkeiten aus, was natürlich nicht sehr hilfreich ist – es sei denn, die richtige Antwort könnte irgendwie mit einer höheren Wahrscheinlichkeit versehen werden.
Interferenz
Betrachten Sie zwei Wasserwellen, die sich einander nähern. Wenn sie aufeinandertreffen, können sie konstruktiv interferieren und eine Welle mit einem höheren Scheitelpunkt erzeugen. Oder sie interferieren destruktiv und heben sich gegenseitig auf, so dass es keine nennenswerte Welle mehr gibt. Qubit-Zustände können auch als Wellen wirken und dieselben Interferenzmuster aufweisen, eine Eigenschaft, die Forscher nutzen können, um die wahrscheinlichste Antwort auf das ihnen gestellte Problem zu finden.
„Wenn Sie eine Interferenz zwischen den richtigen und den falschen Antworten herstellen können, können Sie die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die richtigen Antworten häufiger auftauchen als die falschen Antworten“, sagte Lyon. „Sie versuchen, einen Quantenweg zu finden, um die richtigen Antworten konstruktiv und die falschen Antworten destruktiv interferieren zu lassen.“
Wenn eine Berechnung auf einem Quantencomputer ausgeführt wird, wird dieselbe Berechnung mehrmals ausgeführt, und die Qubits dürfen sich gegenseitig stören. Das Ergebnis ist eine Verteilungskurve, in der die richtige Antwort am häufigsten vorkommt.
Auf Signale achten, die über dem Lärm liegen
In den letzten fünf Jahren haben Forscher an Universitäten, staatlichen Einrichtungen und großen Unternehmen ermutigende Fortschritte bei der Entwicklung eines nützlichen Quantencomputers gemacht. Letztes Jahr gab Google bekannt, dass es Berechnungen auf seinem Quantenprozessor namens Sycamore in einem Bruchteil der Zeit durchgeführt habe, die der größte Supercomputer der Welt für die Bewältigung derselben Aufgabe benötigt hätte.
Doch die Quantengeräte, die wir heute haben, sind immer noch Prototypen, ähnlich den ersten großen Vakuumröhrencomputern der 1940er Jahre.
„Die Maschinen, die wir jetzt haben, lassen sich überhaupt nicht groß skalieren“, sagte Lyon.
Es gibt noch einige Hürden, die Forscher überwinden müssen, bevor Quantencomputer realisierbar und wettbewerbsfähig werden. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, einen Weg zu finden, empfindliche Qubit-Zustände lange genug isoliert zu halten, damit sie Berechnungen durchführen können.
Wenn ein StreunerPhoton– ein Lichtteilchen – von außerhalb des Systems mit einem Qubit interagieren würde, würde seine Welle die Überlagerung des Qubits stören und die Berechnungen im Wesentlichen in ein Durcheinander verwandeln – ein Prozess, der Dekohärenz genannt wird. Während die Kühlschränke mäßig gut darin sind, unerwünschte Interaktionen auf ein Minimum zu beschränken, können sie dies nur für den Bruchteil einer Sekunde tun.
„Quantensysteme mögen es, isoliert zu sein“, sagte Lyon, „und es gibt einfach keine einfache Möglichkeit, das zu erreichen.“
Hier kommt die Simulationsarbeit von Lyon und Kowalkowski ins Spiel. Wenn die Qubits nicht kalt genug gehalten werden können, um eine verschränkte Überlagerung von Zuständen aufrechtzuerhalten, können die Geräte selbst vielleicht so konstruiert werden, dass sie weniger anfällig für Rauschen sind.
Es stellt sich heraus, dass supraleitende Hohlräume aus Niob, die normalerweise zum Antrieb von Teilchenstrahlen in Beschleunigern verwendet werden, die Lösung sein könnten. Diese Hohlräume müssen sehr präzise konstruiert sein und bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, um die Radiowellen, die Teilchenstrahlen beschleunigen, effizient auszubreiten. Forscher gehen davon aus, dass die Qubits durch die Platzierung von Quantenprozessoren in diesen Hohlräumen Sekunden lang ungestört interagieren können, statt wie bisher nur Millisekunden, was ihnen genügend Zeit gibt, komplexe Berechnungen durchzuführen.
Qubits gibt es in verschiedenen Varianten. Sie können durch das Einfangen von Ionen in einem Magnetfeld oder durch die Verwendung von Stickstoffatomen erzeugt werden, die von dem natürlich in Kristallen gebildeten Kohlenstoffgitter umgeben sind. Die Forschung am Fermilab und Argonne wird sich auf Qubits konzentrieren, die aus Photonen hergestellt werden.
Lyon und sein Team haben es sich zur Aufgabe gemacht, zu simulieren, wie gut Radiofrequenz-Hohlräume funktionieren sollen. Indem sie ihre Simulationen auf Hochleistungscomputern, sogenannten HPCs, am Argonne National Laboratory durchführen, können sie vorhersagen, wie lange Photonen-Qubits in dieser extrem rauscharmen Umgebung interagieren können, und alle unerwarteten Wechselwirkungen berücksichtigen.
Forscher auf der ganzen Welt haben Open-Source-Software für Desktop-Computer verwendet, um verschiedene Anwendungen der Quantenmechanik zu simulieren und Entwicklern Blaupausen für die Umsetzung der Ergebnisse in die Technologie zu liefern. Der Umfang dieser Programme ist jedoch durch den auf Personalcomputern verfügbaren Speicher begrenzt. Um die exponentielle Skalierung mehrerer Qubits zu simulieren, müssen Forscher HPCs verwenden.
„Wenn Sie von einem Desktop zu einem HPC wechseln, sind Sie möglicherweise 10.000 Mal schneller“, sagte Matthew Otten, Fellow am Argonne National Laboratory und Mitarbeiter des Projekts.
Sobald das Team seine Simulationen abgeschlossen hat, werden die Ergebnisse von Fermilab-Forschern genutzt, um die Hohlräume zu verbessern und auf ihre Funktion als Rechengeräte zu testen.
„Wenn wir ein Simulations-Framework einrichten, können wir sehr gezielte Fragen dazu stellen, wie Quanteninformationen am besten gespeichert und am besten manipuliert werden können“, sagte Eric Holland, stellvertretender Leiter der Quantentechnologie bei Fermilab. „Daran können wir uns bei der Entwicklung von Quantentechnologien orientieren.“
Diese Arbeit wird vom Department of Energy Office of Science unterstützt.
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