Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Quantengeräts (Petit et al., Nature, 2020) Als Quantencomputer Während Größe und Komplexität immer weiter zunehmen, stoßen Ingenieure auf ein großes Hindernis. All diese zusätzlichen Maschinen bedeuten höhere Temperaturen – und wenn irgendetwas ein vollkommen gutes Quantenbit ruinieren kann, dann ist es Hitze.
Es gibt ein paar mögliche Lösungen , aber jede Lösung muss klein und mit der vorhandenen Siliziumtechnologie kompatibel sein. Zwei kürzlich veröffentlichte Arbeiten bestätigen, dass ein neues Gerät, das von Ingenieuren der australischen University of New South Wales (UNSW) entwickelt wurde, der richtige Weg sein könnte.
Anfang letzten Jahres haben die Forscher vorläufig angekündigt winzige Halbleitermaterialien genannt Quantenpunkte könnte isoliert und dennoch zur Durchführung der Quantenoperationen verwendet werden, die für die nächste Computergeneration erforderlich sind, und das alles bei relativ angenehmen 1,5 Grad Kelvin.
„Das ist immer noch sehr kalt, aber es ist eine Temperatur, die mit nur ein paar tausend Dollar an Kühlung erreicht werden kann, statt mit den Millionen Dollar, die nötig wären, um Chips auf 0,1 Kelvin abzukühlen.“ sagt leitender Forscher Andrew Dzurak von der UNSW.
Diese Forschung wurde nicht erst jetzt durchgeführt Daumen hoch gegeben in einem Peer-Review , es wurde auch von einer Sekunde validiert, völlig anderes Studium durchgeführt von einem Team der Technischen Universität Delft in den Niederlanden.
Die Bestätigung, dass dieses Proof-of-Concept-Gerät wie theoretisiert funktioniert, sollte uns zuversichtlich machen, dass diese Technologie, wenn nicht etwas Ähnliches, eine Möglichkeit sein wird, Quantencomputer auf immer nützlichere Größen zu skalieren.
Während herkömmliche Computer ein binäres System von „Bits“ verwenden, um logische Operationen auszuführen, Quanten-Computing nutzt die probabilistische Natur von Quantenzuständen, um bestimmte Berechnungen durchzuführen.
Diese Zustände lassen sich am einfachsten in den Merkmalen winziger (vorzugsweise subatomarer) Partikel darstellen. Obwohl diese Teilchen in einer nicht gemessenen Form vorliegen, können sie mathematisch so beschrieben werden, dass sie eine Mischung von Eigenschaften in einer sogenannten Überlagerung besitzen.
Die Mathematik der Überlagerungsteilchen – bei dieser Verwendung Qubits genannt – kann mit Algorithmen, deren Lösung herkömmliche Computer zumindest theoretisch viel zu lange dauern würden, kurzen Prozess machen.
Aber um das Beste aus ihnen herauszuholen, sollten Qubits mit anderen Qubits zusammenarbeiten und ihre Mathematik auf immer komplexere Weise verflechten. Im Idealfall sollten Dutzende von Qubits zusammenarbeiten, wenn wir ein Qubit herstellen wollen so viel wie ein Computer Das ist mehr als nur ein teures Spielzeug.
Einige Technologieunternehmen behaupten, an diesem Punkt bereits zu sein. Für sie besteht der nächste Schritt darin, Hunderte, wenn nicht Millionen miteinander zu verbinden. Es ist ein hohes Ziel, das Ingenieure vor ein wachsendes Problem stellt.
„Jedes dem System hinzugefügte Qubit-Paar erhöht die insgesamt erzeugte Wärme.“ sagt Dzurak .
Hitze birgt die Gefahr, dass die gesamte Überlagerungssache durcheinander gerät, weshalb aktuelle Designs so stark auf Kühltechnologie angewiesen sind, die Partikel praktisch zum Stillstand bringt.
Allein das Hinzufügen weiterer Kühlkörper führt zu Platz- und Effizienzproblemen. Also suchten Dzurak und sein Team nach Möglichkeiten, ein Qubit unterzubringen, das steigenden Temperaturen standhält.
Sie fanden heraus, dass der Trick darin bestand, Elektronen aus ihrem Reservoir auf einem Paar nanometergroßer Inseln, sogenannten Quantenpunkten, aus Siliziummetalloxid zu isolieren.
Die Elektronenzustände können dann mithilfe eines Prozesses namens Tunneln eingestellt und gemessen werden, bei dem die Quantenunsicherheit der Position jedes Elektrons es ihm ermöglicht, sich zwischen Punkten zu teleportieren.
Dieses Tunneln innerhalb eines isolierten Qubit-Nests verleiht den empfindlichen Zuständen der Elektronen einen gewissen Schutz vor den etwas höheren Temperaturen und ermöglicht gleichzeitig die Verbindung des Systems mit herkömmlichen elektronischen Computern.
„Unsere neuen Ergebnisse ebnen den Weg von experimentellen Geräten zu erschwinglichen Quantencomputern für reale Geschäfts- und Regierungsanwendungen.“ sagt Dzurak .
Als Proof of Concept ist das eine spannende Sache. Es müssen jedoch viele Fragen beantwortet werden, bevor es mit der bestehenden Quantencomputertechnologie kombiniert wird.
Das Kochen von Qubits bei 15-mal höheren Temperaturen als üblich scheint bisher gut zu funktionieren, aber wir müssen noch sehen, wie sich dies auf verschränkte Gruppen auswirkt und ob Methoden zur Fehlerkorrektur für ein „heißes“ Qubit immer noch funktionieren.
Zweifellos werden sich Forscher bei künftigen Experimenten mit diesen Problemen befassen und uns Quantencomputern immer näher bringen, die in der Lage sind, einige der schwierigsten Probleme zu lösen, die das Universum uns stellen kann.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur Hier Und Hier .