Konzeptdiagramm zur Veranschaulichung des Quantengatters. (Dr. Takafumi Tomita/IMS) Zwei auf eine fast komische Größe aufgeblasene und auf einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt abgekühlte Atome wurden verwendet, um ein robustes, wahnsinnig schnelles Zwei-Qubit-Quantengatter zu erzeugen, das dabei helfen könnte, einige dieser Probleme zu überwinden Quanten-Computing 's anhaltende Herausforderungen.
Da ein Zwei-Qubit-Gate der grundlegende Baustein für Effizienz ist Quantencomputer , dieser Durchbruch hat enorme Auswirkungen. Es könnte zu einer neuen Art von führen so viel wie ein Computer Architektur, die aktuelle Beschränkungen für rauschfreie Quantenoperationen durchbricht.
Qubit ist eine Abkürzung für den Begriff „Quantenbit“. Es ist das Quantencomputer-Äquivalent eines herkömmlichen Bits – der grundlegenden Informationseinheit, auf der die Computertechnologie basiert.
Um ein Problem auf altmodische Weise zu lösen, werden Informationen (und die zu ihrer Berechnung verwendete Logik) durch ein Binärsystem dargestellt. Wie ein Lichtschalter befinden sich die Einheiten dieses Systems alle in einem exklusiven Ein- oder Aus-Zustand. Oder, wie sie oft beschrieben werden, als Eins oder Null.
Was das Quantencomputing so viel leistungsfähiger macht, ist die Tatsache, dass Qubits beides gleichzeitig sein können, in einem Zustand, der als Quantenüberlagerung bekannt ist. Für sich genommen ist ein Qubit kein großer Computer. In Kombination (oder Verschränkung) mit den Überlagerungen anderer Qubits können sie jedoch einige wirklich leistungsstarke Algorithmen darstellen.
Das Zwei-Qubit-Gate ist eine logische Operation, die auf dem Quantenzustand zweier verschränkter Qubits basiert. Es ist die einfachste Komponente eines Quantencomputers und ermöglicht das Verschränken und Lesen von Qubits.
Wissenschaftler experimentieren seit einiger Zeit mit Quantengattern auf Basis unterschiedlicher Materialien und haben es geschafft einige außergewöhnliche Durchbrüche . Ein Problem bleibt jedoch weiterhin bestehen: Die Überlagerungen der Qubits können sich durch die Verschränkung auch externer Quellen schnell und einfach verschlechtern.
Die Beschleunigung des Gates ist der beste Weg, dieses Problem zu lösen: Da dieser Eingriff im Allgemeinen langsamer als eine Millionstelsekunde (eine Mikrosekunde) ist, kann ein Quantengatter, das schneller ist, dem Rauschen „entkommen“, um präzise Ergebnisse zu erzielen Berechnungen.
Um dieses Ziel mit einem etwas anderen Ansatz als üblich zu erreichen, wandte sich ein Forscherteam unter der Leitung des Physikers Yeelai Chew von den National Institutes of Natural Sciences in Japan einem komplizierten Aufbau zu.
Die Qubits selbst sind Atome des Metalls Rubidium im gasförmigen Zustand. Mithilfe von Lasern wurden diese Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt und mithilfe von Lasern in einem präzisen Abstand im Mikrometerbereich voneinander positioniert optische Pinzette – Laserstrahlen, mit denen Objekte im atomaren Maßstab manipuliert werden können.
Anschließend pulsierten die Physiker die Atome mit Lasern. Dadurch wurden Elektronen aus der nächstgelegenen Umlaufbahn zu jedem Atomkern in einen sehr großen Umlaufabstand geschleudert, wodurch die Atome zu Objekten aufgeblasen wurden, die als Rydberg-Atome bekannt sind. Dies führte zu einem 6,5 Nanosekunden dauernden periodischen Austausch der Orbitalform und der Elektronenenergie zwischen den nun riesigen Atomen.
Mithilfe weiterer Laserpulse gelang es dem Forschungsteam, eine Quantentoroperation zwischen den beiden Atomen durchzuführen. Die Geschwindigkeit dieses Vorgangs betrug 6,5 Milliardstel Sekunden (Nanosekunden) – über 100-mal schneller als alle früheren Experimente mit Rydberg-Atomen, sagten die Forscher, was einen neuen Rekord für Quantengatter auf Basis dieser besonderen Technologie darstellt.
Damit wird der Gesamtrekord für die bisher schnellsten Zwei-Qubit-Quantengatter-Operationen nicht ganz übertroffen. Dies wurde 2019 durch die Verwendung von Phosphoratomen in Silizium erreicht, eine überwältigende Leistung 0,8 Nanosekunden ; Die neue Arbeit beinhaltet jedoch einen anderen Ansatz, der einige der Einschränkungen anderer derzeit in der Entwicklung befindlicher Typen umgehen könnte.
Darüber hinaus könnte die Untersuchung verschiedener Architekturen Hinweise liefern, die dazu beitragen, Mängel bei anderen Hardwaretypen zu minimieren.
Die nächsten Schritte seien ziemlich klar, sagte das Team. Sie müssen den kommerziellen Laser durch einen speziell entwickelten ersetzen, um die Genauigkeit zu verbessern, da der Laser zum Rauschen beitragen kann; und bessere Kontrolltechniken implementieren.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphotonik .