Qubits Unleashed: NISTs "Toggle Switch" und die Zukunft des Quantencomputings

Wissenschaftler am NIST haben ein "Toggle-Schalter"-Gerät für Quantencomputer eingeführt, das die Verbindungen zwischen Qubits und einem Leserezonator anpasst. Das Gerät löst Herausforderungen wie Lärm und Reprogrammierungsbeschränkungen und ebnet den Weg für flexiblere und genauere Quantencomputing.

Das neuartige Gerät könnte zu vielseitigeren Quantenprozessoren mit klareren Ausgaben führen.

Was bringt ein leistungsfähiger Computer, wenn Sie seine Ausgabe nicht lesen können? Oder es nicht einfach umprogrammieren können, um verschiedene Aufgaben zu erledigen? Personen, die Quantencomputer entwerfen, stehen vor diesen Herausforderungen, und ein neues Gerät könnte sie leichter lösbar machen.

Das von einem Team von Wissenschaftlern am National Institute of Standards and Technology (NIST) vorgestellte Gerät umfasst zwei supraleitende Quantenbits oder Qubits, die das Äquivalent zu den logischen Bits eines klassischen Computers in einem Prozessorchip eines quantencomputers sind. Das Herz dieser neuen Strategie beruht auf einem "Toggle-Schalter"-Gerät, das die Qubits mit einem Schaltkreis namens "Leserezonator" verbindet, der die Ausgabe der Berechnungen der Qubits lesen kann.

Dieser Toggle-Schalter kann in verschiedene Zustände umgeschaltet werden, um die Stärke der Verbindungen zwischen den Qubits und dem Leserezonator anzupassen. Wenn er ausgeschaltet ist, sind alle drei Elemente voneinander isoliert. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, um die beiden Qubits zu verbinden, können sie interagieren und Berechnungen durchführen. Sobald die Berechnungen abgeschlossen sind, kann der Toggle-Schalter entweder eines der Qubits und den Leserezonator verbinden, um die Ergebnisse abzurufen.

Ein programmierbarer Toggle-Schalter trägt erheblich zur Reduzierung von Lärm bei, einem häufigen Problem in Quantencomputerkreisen, das es Qubits schwer macht, Berechnungen durchzuführen und ihre Ergebnisse klar anzuzeigen.

Auf dem Foto ist der zentrale Arbeitsbereich des Geräts zu sehen. Im unteren Bereich stellen die drei großen Rechtecke (hellblau) die beiden Quantenbits oder Qubits rechts und links und den Resonator in der Mitte dar. Im oberen, vergrößerten Bereich erzeugen Mikrowellen, die durch die Antenne (großes dunkelblaues Rechteck unten) geleitet werden, ein Magnetfeld in der Squid-Schleife (kleineres weißes Quadrat in der Mitte, dessen Seiten etwa 20 Mikrometer lang sind). Das Magnetfeld aktiviert den Toggle-Schalter. Die Frequenz und Größe der Mikrowellen bestimmen die Position des Schalters und die Stärke der Verbindung zwischen den Qubits und dem Resonator. Credit: R. Simmonds / NIST

"Das Ziel besteht darin, die Qubits zufrieden zu halten, damit sie ohne Ablenkungen rechnen können, während wir sie bei Bedarf dennoch auslesen können", sagte Ray Simmonds, Physiker am NIST und einer der Autoren des Papiers. "Diese Gerätearchitektur hilft dabei, die Qubits zu schützen und verbessert unsere Fähigkeit, die hochwertigen Messungen durchzuführen, die erforderlich sind, um Quanteninformationsprozessoren aus Qubits aufzubauen."

Das Team, zu dem auch Wissenschaftler von der University of Massachusetts Lowell, der University of Colorado Boulder und Raytheon BBN Technologies gehören, beschreibt seine Ergebnisse in einem kürzlich in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlichten Artikel.

Quantencomputer, die sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, würden die seltsamen Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, um Aufgaben zu erledigen, die selbst unsere leistungsfähigsten klassischen Computer als unlösbar erachten, wie z.B. die Unterstützung bei der Entwicklung neuer Medikamente durch anspruchsvolle Simulationen chemischer Wechselwirkungen.

Quantencomputer-Designer stehen jedoch immer noch vor vielen Problemen. Eines davon ist, dass Quantenzirkuits durch äußeren oder sogar internen Lärm gestört werden, der auf Defekte in den Materialien zurückzuführen ist, die zur Herstellung der Computer verwendet werden. Dieser Lärm ist im Wesentlichen ein zufälliges Verhalten, das Fehler in den Berechnungen der Qubits verursachen kann.

Die heutigen Qubits sind von Natur aus schon rauschig, aber das ist nicht das einzige Problem. Viele Quantencomputer-Designs haben eine statische Architektur, bei der jedes Qubit im Prozessor physisch mit seinen Nachbarn und seinem Leserezonator verbunden ist. Die hergestellte Verkabelung, die die Qubits miteinander und mit ihrem Auslesen verbindet, kann sie noch mehr Lärm aussetzen.

Solche statischen Architekturen haben einen weiteren Nachteil: Sie können nicht leicht umprogrammiert werden. Die Qubits einer statischen Architektur könnten einige verwandte Aufgaben erledigen, aber um eine breitere Palette von Aufgaben zu erledigen, müsste ein anderer Prozessordesign mit einer anderen Qubit-Organisation oder -Konfiguration eingefügt werden. (Stellen Sie sich vor, Sie wechseln jedes Mal den Chip in Ihrem Laptop, wenn Sie eine andere Software verwenden müssen, und bedenken Sie dann, dass der Chip knapp über dem absoluten Nullpunkt gehalten werden muss, und Sie verstehen, warum dies möglicherweise unbequem ist.)

Der programmierbare Toggle-Schalter des Teams umgeht beide Probleme. Er verhindert zunächst, dass Störsignale über den Leserezonator in den Schaltkreis gelangen, und verhindert, dass die Qubits miteinander sprechen, wenn sie ruhig sein sollten.

“This cuts down on a key source of noise in a quantum computer,” Simmonds said.

Second, the opening and closing of the switches between elements are controlled with a train of microwave pulses sent from a distance, rather than through a static architecture’s physical connections. Integrating more of these toggle switches could be the basis of a more easily programmable quantum computer. The microwave pulses can also set the order and sequence of logic operations, meaning a chip built with many of the team’s toggle switches could be instructed to perform any number of tasks.

“This makes the chip programmable,” Simmonds said. “Rather than having a completely fixed architecture on the chip, you can make changes via software.”

One final benefit is that the toggle switch can also turn on the measurement of both qubits at the same time. This ability to ask both qubits to reveal themselves as a couple is important for tracking down quantum computational errors.

The qubits in this demonstration, as well as the toggle switch and the readout circuit, were all made of superconducting components that conduct electricity without resistance and must be operated at very cold temperatures. The toggle switch itself is made from a superconducting quantum interference device, or “SQUID,” which is very sensitive to magnetic fields passing through its loop. Driving a microwave current through a nearby antenna loop can induce interactions between the qubits and the readout resonator when needed.

At this point, the team has only worked with two qubits and a single readout resonator, but Simmonds said they are preparing a design with three qubits and a readout resonator, and they have plans to add more qubits and resonators as well. Further research could offer insights into how to string many of these devices together, potentially offering a way to construct a powerful quantum computer with enough qubits to solve the kinds of problems that, for now, are insurmountable.