(Sauerstoff/Moment/Getty Images) Ein ... Erstellen so viel wie ein Computer erfordert die Fähigkeit, mit den leisesten Berührungen die Ränder der Realität zu streicheln. Zu viel „Lärm“ führt dazu, dass der empfindliche Zustand des Systems zusammenbricht und Sie einen sehr teuren Briefbeschwerer haben.
Eine Möglichkeit, das Risiko eines solchen Ereignisses zu verringern, besteht darin, Checks and Balances einzubauen, die dazu beitragen, den verschwommenen Zustand der Realität im Kern abzuschirmen Quantencomputer – und jetzt haben Wissenschaftler einen neuen Weg vorgeschlagen, genau das zu tun.
Theoretische Physiker der RWTH Aachen in Deutschland haben ein sogenanntes „synthetisches Magnetfeld“ vorgeschlagen, das ihrer Meinung nach dazu beitragen könnte, die fragilen Qubits zu schützen, die in einem Quantencomputer benötigt werden.
„Wir haben einen Schaltkreis entworfen, der aus hochmodernen supraleitenden Schaltkreiselementen und einem nichtreziproken Gerät besteht und zur passiven Implementierung des GKP-Quantenfehlerkorrekturcodes verwendet werden kann“, schreibt das Team in ihrer Arbeit .
Die Grundlage für den Entwurf ist ein fast 20 Jahre altes Konzept (dazu kommen wir gleich), das aufgrund der Anforderungen an unglaublich starke Magnetfelder einfach nicht umsetzbar ist. Der neue Ansatz versucht, dieses Problem zu umgehen.
Anstelle der soliden, bitbasierten Sprache der Einsen und Nullen, die die Bedienung Ihres Smartphones oder Desktops steuert, Quanten-Computing beruht auf einem weniger binären und weitaus weniger eindeutigen Ansatz zur Berechnung von Zahlen.
Quantenbits oder Qubits sind individuelle Einheiten ihrer Sprache, basierend auf der Wahrscheinlichkeit der Quantenmechanik. Wenn man sie genug aneinanderreiht, legt ihr scheinbar zufälliges Taumeln die Grundlage für einen anderen, einzigartigen Ansatz zur Problemlösung.
Ein Qubit ist jedoch eine seltsame Kreatur, für die es in unserer Alltagserfahrung kein wirkliches Äquivalent gibt. Unbeobachtet könnte es sich gleichzeitig in der Position 1, 0 oder beiden befinden. Aber sobald man es betrachtet, verfällt das Qubit in einen einzigen, alltäglicheren Zustand.
In der Physik muss dieser Akt des Schauens nicht einmal ein absichtlicher Blick sein. Das Summen elektromagnetischer Strahlung, ein verirrter Stoß eines benachbarten Teilchens … und schon kann sich dieses Qubit schnell in der Szenerie wiederfinden und seine wesentliche Wahrscheinlichkeitskraft verlieren.
Dieses „Rauschen“ wird nur noch schlimmer, wenn wir Geräte mit mehr Qubits erweitern, was notwendig ist, um Quantencomputer leistungsstark genug zu machen, um die von ihnen erwartete Hochleistungsverarbeitung zu leisten.
Eine vielversprechende Methode, um sicherzustellen, dass ein Qubit lange genug unscharf bleibt, um nützlich zu sein, ist: es verwickeln mit anderen Qubits, die sich woanders befinden, was bedeutet, dass seine Wahrscheinlichkeiten jetzt von anderen, ebenso unscharfen Teilchen abhängen, die sich in Zonen befinden, in denen es unwahrscheinlich ist, dass sie von demselben Rauschen getroffen werden.
Wenn das richtig gemacht wird, können Ingenieure ein Niveau von sicherstellen Quantenfehlerkorrektur – ein Versicherungssystem, das es dem Qubit ermöglicht, mit gelegentlichen Erschütterungen, Rasseln und Rollen von Umgebungsgeräuschen zurechtzukommen.
Und hier kommen wir zurück zum neuen Papier. Damals im Jahr 2001 hat ein Forschertrio – Daniel Gottesman, Alexeir Kitaev und John Preskill – eine Möglichkeit entwickelt, diese Art von Schutz als intrinsisches Merkmal der Schaltkreise, die die Qubits halten, in einen Raum zu kodieren, was möglicherweise eine schlankere Hardware ermöglicht.
Es wurde als Gottesman-Kitaev-Preskill-Code (GKP) bekannt. Es gab nur ein Problem: Der GKP-Code beruhte darauf, ein Elektron mithilfe intensiver, großer Magnetfelder auf nur zwei Dimensionen zu beschränken, was einfach nicht praktikabel ist. Darüber hinaus sind die Prozesse zum Erkennen und Beheben von Fehlern recht kompliziert und erfordern noch mehr Hardware.
Um die Vorteile des GKP-Codes wirklich optimal nutzen zu können, bräuchten Quanteningenieure einen passiveren, unkomplizierteren Ansatz zur Abschirmung und Wiederherstellung der Informationen eines Qubits vor Rauschen.
In diesem innovativen neuen Vorschlag schlagen Physiker daher vor, das unglaublich große Magnetfeld durch einen supraleitenden Schaltkreis zu ersetzen, der aus Komponenten besteht, die weitgehend dem gleichen Zweck dienen und das Rauschen eliminieren.
Die technischen Details des Setups sind nicht für die allgemeine Lektüre gedacht, aber Anja Metelmann bei APS Physics Wer sich für Details interessiert, leistet hervorragende Arbeit und geht sie Schritt für Schritt durch.
Damit es funktioniert, müsste es eine Möglichkeit geben, Photonen – praktisch Wellen im elektromagnetischen Feld, die die Kräfte des Elektrons übertragen – durch genau dieses Feld zu manipulieren. Angesichts der Neutralität des Photons ist dies einfach keine Möglichkeit.
Es gibt jedoch einen Workaround. In den vergangenen Jahren Physiker haben einen Weg gefunden, Photonen so zu steuern, dass sie wie Elektronen kanalisiert werden können, indem sie die Optik eines Raums so manipulieren, dass er bestimmte magnetähnliche Eigenschaften annimmt.
Sogenannte synthetische Magnetfelder ermöglichen die Lenkung von Photonen und bieten Ingenieuren die Möglichkeit, Geräte herzustellen, in denen Lichtwellen gezwungen werden können, sich eher wie ein Strom zu verhalten.
Das neue Papier beschreibt eine Möglichkeit, dieses synthetische Magnetfeld zu nutzen, um ein theoretisches einzelnes Elektron in einem Kristall zu schützen, das auf eine 2D-Ebene beschränkt ist. Als sie Berechnungen durchführten, um zu sehen, wie es reagieren würde, wenn es einem starken, realen Magnetfeld ausgesetzt wäre, das normalerweise das System stören würde, zeigten sie, dass ihr neuer Aufbau es schützen konnte.
„Wir haben herausgefunden, dass die Schaltung auf natürliche Weise gegen die üblichen Rauschkanäle in supraleitenden Schaltungen wie Ladungs- und Flussrauschen geschützt ist, was bedeutet, dass sie zur passiven Quantenfehlerkorrektur verwendet werden kann“, so das Team erklärt in ihrem Artikel .
Bevor wir einen funktionierenden Prototyp dieser Quantenfehlerkorrekturmaschine erhalten, müssen noch viele Probleme experimentell gelöst werden. Auf dem Papier ist alles gut, aber es bleibt abzuwarten, ob die Technologie wie erwartet funktioniert.
Mit der Zeit könnten wir über ein relativ einfaches Gerät verfügen, das ein unpraktisches – aber ansonsten effizientes – Konzept zur Skalierung von Quantencomputern in eine reale Möglichkeit umwandelt und den Weg für fehlertolerante Technologien ebnet, die bisher größtenteils theoretisch waren.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Körperliche Untersuchung X .