Experten der Cornell University planen, Quanten in die Praxis umzusetzen

Die Realität, zumindest so wie wir sie kennen, geht nur so tief. Schauen Sie sich jedes Objekt genau an, bis hin zur Ebene der Moleküle und Atome, und die Welt beginnt, nach ihren eigenen Regeln zu spielen. Dies ist das Reich der Quantenphysik: Wo Energiewellen und Teilchen gleich sind und seltsame Phänomene wie Teleportation die Norm sind. Diese rätselhaften Eigenschaften könnten der Schlüssel zu revolutionären neuen Computern und elektronischen Komponenten sein. Anstatt Siliziumtransistoren wie herkömmliche Computer oder integrierte Schaltkreise zu verwenden, nutzen Quantengeräte subatomare Teilchen als Mittel zur Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen, wodurch sie schneller und leistungsfähiger sind als jede andere elektronische Hardware, die wir uns derzeit vorstellen können. Drei neue Fakultäten der Cornell School of Electrical and Computer Engineering arbeiten daran, Quantengeräte sowohl praktisch als auch skalierbar zu machen. Assistenzprofessor Karan Mehta geht zusammen mit Assistenzprofessor Mohamed Ibrahim und außerordentlichem Professor Mark Wilde in ihrer Arbeit weit über die angewandte Physik hinaus und bezieht Elemente des Schaltungsdesigns, der Photonik, der Systemarchitektur, der Informationstheorie und anderer Bereiche ein, um Quantencomputer Wirklichkeit werden zu lassen .Ionen einfangenMehta untersucht beispielsweise einen Grundbaustein von Quantencomputern – eine spezielle Komponente, die als „eingefangenes Ionen-Qubit“ bezeichnet wird. Es handelt sich im Wesentlichen um ein einzelnes Atom, das durch elektrische Felder im Vakuum gehalten und mit Lasern gesteuert wird. Durch die Verwendung dieser Laser zur Manipulation des Spins und der Ladung der Atome ist es möglich, sie so zu „programmieren“, dass sie einfache Algorithmen ausführen. Wie bei jeder elektronischen Komponente haben diese Qubits jedoch Vor- und Nachteile, bemerkt Mehta. Ein Vorteil besteht darin, dass jedes Ion im Raum schwebt und von anderen Atomen isoliert ist, was bedeutet, dass es nur sehr wenig Störungen oder Rauschen ausgesetzt ist. Die Steuerung dieser Qubits ist jedoch kompliziert, und wenn die Systeme immer größer werden, können sich andere Rauschquellen in das System einschleichen und es daran hindern, reibungslos zu funktionieren. Dieses Rauschen zu beseitigen ist ein entscheidender Teil beim Aufbau eines nützlichen Quantencomputers, der Tausende oder sogar Millionen von Qubits erfordern würde. „Wenn Sie eine große Anzahl von Ionen-Qubits in einem System haben, steuern Sie diese mit Millionen von Laserstrahlen, die sich frei bewegen „Der Raum wird sehr hart“, sagt Mehta. „Jedes Mal, wenn man dem System mehr Qubits hinzufügt, führt die Komplexität des Steuergeräts zu mehr potenziellen Fehlern und Rauschen.“ Beim Quantencomputing kann dieses Rauschen die Leistung einer Maschine beeinträchtigen. Wenn winzige Vibrationen, Hitze oder irgendetwas anderes auftreten, das ein gefangenes Ion zufällig stört, verlieren die Qubits eine kritische Eigenschaft namens Superposition – ein Phänomen, bei dem Elektronen gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren, wodurch Programmierer verschiedene Iterationen eines Problems gleichzeitig ausführen können. Wenn jedoch Rauschen vorhanden ist, bricht diese Überlagerung vorzeitig zusammen, was zu Berechnungsfehlern führt. Mehta versucht, diese Einschränkung zu umgehen, indem es Festkörpergeräte verwendet, um den Zustand jedes Qubits zu manipulieren und zu erfassen. Er glaubt, dass die Verwendung von Lichtimpulsen, die an Qubits abgegeben und in chipbasierten Steuergeräten auf Basis von Glasfasern gesammelt werden, der Schlüssel zu sauberen, rauscharmen Quantensystemen sein könnte. Solche Systeme könnten groß angelegte Systeme ermöglichen und außerdem übermäßiges Rauschen erheblich reduzieren, wodurch Qubits stabiler werden. „Aus technischer Sicht kann dies das Problem lösen, nämlich die Herausforderung, diese ansonsten makellosen Quantensysteme zu kontrollieren“, sagt er. „Die Idee besteht darin, die grundlegenden Vorteile extrem sauberer, rauscharmer Quantensysteme zusammen mit skalierbarer Hardware zu nutzen.“ Quantensysteme auf ChipIbrahim ist mit dieser Einschätzung einverstanden. In seinem Labor arbeitet er an skalierbaren Quantensystemen im Chip-Maßstab, die die heutigen fortschrittlichen und winzigen integrierten Schaltkreise (ICs) nutzen. Ibrahim entwickelt integrierte Quantensensoren unter Verwendung einer speziellen Form von Diamantkristallen. Anstelle von reinem Kohlenstoff sind diese Diamanten mit Stickstoffatomen geimpft. Wenn es mit einer freien Stelle gepaart wird, führt jedes Stickstoffatom ein Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV) mit einzigartigen neuen Eigenschaften ein. Indem man diese Kristalle einem ansteigenden Schwung aus Mikrowellenenergie und grünen Lichtimpulsen aussetzt, beginnen sie laut seiner Aussage fluoreszierend rot zu leuchten Intensität abhängig von den Spinzuständen der Elektronen der NV-Zentren – und durch die Aufzeichnung der genauen Frequenzen, bei denen ein Abfall der Fluoreszenzintensität auftritt, kann Ibrahim die Temperatur verfolgen und die Intensität magnetischer und elektrischer Felder messen, die den Sensor umgeben Dies ist eine bekannte Eigenschaft. Ibrahim arbeitet daran, alle beteiligten Elemente in einem einzigen miniaturisierten Gerät im Chip-Maßstab zu vereinen, einschließlich einer Mikrowellen-Radioquelle auf dem Chip und Schaltkreisen zur Rotlichterkennung. Diese sind zusammen mit einem Diamantkristallgitter und einem grünen Laseremitter verpackt. Integrierte Schaltkreise wie diese, sagt er, könnten viele verschiedene Anwendungen haben, von der globalen Navigation bis zur Erfassung bioelektrischer Signale im Herzen und Gehirn – aber Ibrahim sagt, dass er das auch tut Interesse am Bau integrierter Controller für Quantencomputer, wo sie zur Lösung eines uralten Problems beitragen könnten. „Qubits müssen in einem kryogenen Kühlschrank aufbewahrt werden. Um Signale zwischen diesen ultrakalten Umgebungen und den klassischen Computern zu senden, die das steuern „Für Qubits verwenden wir derzeit Kabel, die die Skalierbarkeit auf Tausende von Qubits beschränken“, sagt er. Durch die Verwendung von kryogenen ICs als Vermittler, die bei wenigen Kelvin arbeiten, könnte es möglich sein, Multi-Qubit-Controller zu bauen, die viel effizienter auf eine größere Anzahl von Qubits skaliert werden können „Das geschieht derzeit mit leitfähigen Koaxialkabeln. Da diese Kabel auch wärmeleitend sind, können wir auf ihnen tatsächlich Energie in der Größenordnung von einigen Milliwatt verlieren“, sagt er. Ibrahim arbeitet an effizienten Transceivern, die dieses Problem mithilfe drahtloser Kommunikation lösen können oder Kabel mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Lichtwellenleiter. Der Einsatz von ICs zur Entwicklung neuer Architekturen zur Schnittstelle oder direkten Steuerung von Qubits würde es ermöglichen, ihre Anzahl zu erhöhen und das Zeitalter der Quantencomputer im großen Maßstab einzuläuten.Qubits programmierenEgal wie robust oder effizient wir einen Quantencomputer bauen können, wir Wir werden nicht sehr weit kommen, wenn wir nicht herausfinden, wie man es am effektivsten nutzt – ein Bereich, den Wilde aktiv untersucht. Während seine Kollegen an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik neue Hardware und Software entwickeln, um diese Geräte Wirklichkeit werden zu lassen, richtet Wilde seine Aufmerksamkeit auf die Quanteninformationstheorie oder die komplexen Algorithmen, die zur Verarbeitung von Informationen in diesem Gerät verwendet werden. Es überrascht nicht, dass er sagt, Quantencomputer seien weitaus weniger einfach als klassische Siliziumgeräte. Ein klassischer Computer mit zwei Bits, die jeweils die Werte Null und Eins annehmen, kann vier verschiedene Kombinationen dieser Zahlen (00, 01, 10 und 11) erzeugen, aber jeweils nur eine berechnen. Ein Quantencomputer hingegen kann alle vier möglichen Antworten auf einmal untersuchen – und erfordert daher völlig neue Programmiermethoden. „Die Klugheit bei der Entwicklung eines Quantenalgorithmus besteht darin, die schlechten Möglichkeiten für eine Antwort zu beseitigen.“ ; um sie aus der Berechnung zu eliminieren, wie das Beschneiden eines Baumes, und dann die Pfade zu verstärken, die zu einer korrekten Lösung führen, wenn man sie letztendlich misst“, sagt Wilde. Da Rauschen im Quantensystem während dieses Beschneidungsprozesses zu Fehlern führt, ist Wilde der Meinung Wir arbeiten an Möglichkeiten, diese Fälle zu beheben und sicherzustellen, dass verrauschte Störungen die Ausgabe des Computers nicht verzerren. Er weist darauf hin, dass eine Technik darin bestehe, Quantenalgorithmen so effizient wie möglich zu gestalten, die Zeit zu verkürzen, die sie für ihre Ausführung benötigen, und die Wahrscheinlichkeit zu begrenzen, dass die Qubits bei der Berechnung durch Rauschen verfälscht werden. Allerdings arbeitet er an neuen Wegen, robuste Algorithmen zu konstruieren Obwohl es sich um Quantenalgorithmen handelt, konzentriert sich Wildes Arbeit nicht ausschließlich auf praktische Lösungen. Er versucht auch, Rätsel eher philosophisch zu beantworten: „Ich möchte die ultimativen Grenzen der Kommunikation verstehen“, sagt er. „Bei jeder Kommunikationsaufgabe müssen Sie an beiden Enden eine Art Berechnung durchführen, und bei jeder Berechnungsaufgabe müssen Sie zwischen Qubits im Computer kommunizieren – Berechnung und Kommunikation sind also unweigerlich miteinander verflochten.“ und man kann sie niemals trennen. Vor diesem Hintergrund stellt er die Frage: Wo liegen die physikalischen Grenzen dieser Prozesse? Und wie weit können wir sie treiben? Diese Fragen sind nicht nur abstrakte Gedankenexperimente; Sie sind das A und O der Arbeit, die Wilde und seine Kollegen derzeit leisten. Mit der Zeit könnte die interdisziplinäre Forschung, die aus ihren Laboren hervorgeht, die Computer- und Elektrotechnik insgesamt revolutionieren und eine endlose Reihe neuer Möglichkeiten auf der Grundlage der Quantenphysik eröffnen.