Revolutionäre Hardware präsentiert ein neues Quantencomputing-Modell

15. August 2023

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von Los Alamos National Laboratory

Ein potenziell wegweisender theoretischer Ansatz für die Hardware des Quantencomputers umgeht einen Großteil der problematischen Komplexität, die in den derzeitigen Quantencomputern vorhanden ist. Die Strategie implementiert einen Algorithmus in natürlichen quantenmechanischen Interaktionen, um eine Vielzahl realer Probleme schneller zu lösen als klassische Computer oder herkömmliche gatebasierte Quantencomputer es können.

'Unser Ergebnis beseitigt viele herausfordernde Anforderungen an die Quantenhardware', sagte Nikolai Sinitsyn, theoretischer Physiker am Los Alamos National Laboratory. Er ist Mitautor einer Studie über den Ansatz im Journal Physical Review A. 'Natürliche Systeme wie die elektronischen Spins von Defekten im Diamant haben genau den Typ von Interaktionen, die für unseren Berechnungsprozess benötigt werden.'

Sinitsyn sagte, das Team hoffe, auch mit experimentellen Physikern am Los Alamos zusammenzuarbeiten, um ihren Ansatz mit ultrakalten Atomen zu demonstrieren. Die Technologien in ultrakalten Atomen seien mittlerweile weit genug fortgeschritten, um solche Berechnungen mit etwa 40 bis 60 Qubits durchzuführen, sagte er. Das reiche aus, um viele Probleme zu lösen, die mit klassischen oder binären Berechnungen bisher nicht zugänglich seien. Ein Qubit ist die grundlegende Einheit quantenmechanischer Information, analog zu einem Bit in der vertrauten klassischen Informatik.

Statt ein komplexes System von Logikgattern zwischen einer Reihe von Qubits einzurichten, die alle eine Quantenverschränkung teilen müssen, verwendet die neue Strategie ein einfaches Magnetfeld, um die Qubits, wie zum Beispiel die Spins von Elektronen, in einem natürlichen System zu rotieren. Die genaue Entwicklung der Spinzustände ist alles, was benötigt wird, um den Algorithmus umzusetzen. Sinitsyn sagte, der Ansatz könne verwendet werden, um viele praktische Probleme zu lösen, die für Quantencomputer vorgeschlagen wurden.

Quantencomputing ist ein noch junger Bereich, der durch die Schwierigkeit der Verbindung von Qubits in langen Ketten von Logikgattern und die Aufrechterhaltung der für Berechnungen erforderlichen Quantenverschränkung beeinträchtigt wird. Die Verschränkung zerfällt in einem Prozess, der als Dekohärenz bekannt ist, wenn die verschränkten Qubits beginnen, mit der Außenwelt außerhalb des quantenmechanischen Systems des Computers zu interagieren und Fehler einzuführen. Das geschieht schnell und begrenzt die Rechenzeit. Eine echte Fehlerkorrektur wurde auf Quantenhardware noch nicht implementiert.

Der neue Ansatz basiert auf natürlicher Verschränkung anstelle von künstlicher Verschränkung und erfordert daher weniger Verbindungen zwischen den Qubits. Das reduziert den Einfluss der Dekohärenz. Dadurch bleiben die Qubits relativ lange erhalten, sagte Sinitsyn.

In dem theoretischen Artikel des Los Alamos Teams wurde gezeigt, wie der Ansatz ein Zahlenpartitionsproblem mithilfe des Grover-Algorithmus schneller als bestehende Quantencomputer lösen kann. Als einer der bekanntesten Quantenalgorithmen ermöglicht er unstrukturierte Suchen in großen Datensätzen, die konventionelle Rechenressourcen verbrauchen.

Zum Beispiel kann der Grover-Algorithmus, wie Sinitsyn sagte, verwendet werden, um die Laufzeit von Aufgaben gleichmäßig auf zwei Computer zu verteilen, sodass sie gleichzeitig abgeschlossen werden, zusammen mit anderen praktischen Aufgaben. Der Algorithmus eignet sich gut für idealisierte, fehlerkorrigierte Quantencomputer, obwohl er schwer auf den heutigen fehleranfälligen Maschinen umzusetzen ist.

Quantencomputer sind darauf ausgelegt, Berechnungen viel schneller durchzuführen als jede klassische Vorrichtung, aber sie waren bisher sehr schwer zu realisieren, sagte Sinitsyn. Ein herkömmlicher Quantencomputer implementiert Quantenschaltungen - Sequenzen von elementaren Operationen mit verschiedenen Paaren von Qubits.

Die Theoretiker von Los Alamos schlugen eine interessante Alternative vor.

'Wir haben festgestellt, dass es für viele bekannte Berechnungsprobleme ausreicht, ein Quantensystem mit elementaren Interaktionen zu haben, bei dem nur ein einzelner Quantenspin - der mit zwei Qubits realisierbar ist - mit den anderen berechnenden Qubits interagiert', sagte Sinitsyn. 'Dann implementiert ein einzelner magnetischer Impuls, der nur auf den zentralen Spin wirkt, den komplexesten Teil des quantenmechanischen Grover-Algorithmus.' Dieser wird als Grover-Orakel bezeichnet und weist auf die gewünschte Lösung hin.

'Es sind keine direkten Interaktionen zwischen den berechnenden Qubits und keine zeitabhängigen Interaktionen mit dem zentralen Spin im Prozess erforderlich', sagt er. Sobald die statischen Kopplungen zwischen dem zentralen Spin und den Qubits festgelegt sind, besteht die gesamte Berechnung nur aus der Anwendung einfacher zeitabhängiger externer Feldpulse, die die Spins rotieren, sagt er.

Importantly, the team proved that such operations can be made fast. The team also discovered that their approach is topologically protected. That is, it is robust against many errors in the precision of the control fields and other physical parameters even without quantum error correction.

Journal information: Physical Review A

Provided by Los Alamos National Laboratory