Ein einzelnes Elektron (blaue Welle) über einem festen Neonblock (in Rot). (Dafei Jin/Argonne National Laboratory) Wir haben schon Quantencomputer einer Art , aber im Moment sind sie weder praktisch noch zuverlässig oder groß genug, um das enorme Potenzial der Technologie voll auszuschöpfen.
Um diesem Endziel näher zu kommen, arbeiten Wissenschaftler an dem, was ihrer Meinung nach der ideale Baustein für eine sein könnte so viel wie ein Computer .
Diese Bausteine werden Qubits genannt. Im Gegensatz zu klassischen Computerbits, die zu jedem Zeitpunkt entweder 1 oder 0 speichern, können diese Qubits ähnlich wie in einem gleichzeitigen 0- und 1-Zustand existieren das berühmte Schrödinger-Gedankenexperiment in dem eine Katze sowohl lebendig als auch tot sein kann.
Diese Quantenfähigkeit verspricht einen exponentiellen Fortschritt in der Rechenleistung.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Qubit zu bauen, und die in der neuen Forschung skizzierte Vision kommt möglicherweise einem idealen Qubit bisher am nächsten, aber bis zur Realität ist es noch einiges zu tun.
Es besteht aus einem einzelnen Elektron, das auf gefrorenem Neongas gefangen ist. Das Elektron kann dann mithilfe eines supraleitenden Quantenschaltkreises manipuliert werden.
„Dank der relativen Einfachheit der Elektron-auf-Neon-Plattform sollte sie sich für eine einfache und kostengünstige Herstellung eignen“, sagt Quantenphysiker Dafei Jin vom Argonne National Laboratory in Illinois.
„Es scheint, dass ein ideales Qubit in Sicht ist.“
Das neue Qubit erfüllt drei von den Wissenschaftlern festgelegte Hauptkriterien. Erstens die Notwendigkeit, über einen langen Zeitraum stabil zu bleiben, was als Quantenkohärenz bekannt ist. In Quanten-Computing , eine lange Zeit beträgt etwa eine Sekunde.
In diesem Fall ist die hochreine, feste Neonoberfläche sehr resistent gegen Störungen. Durch das Einfangen des Elektrons im Vakuum kann das Elektron lange genug stabil bleiben, damit das Qubit für jede Aufgabe manipuliert werden kann.
Qubits müssen außerdem sehr schnell (in etwa einer Milliardstelsekunde oder einer Nanosekunde) von einem Zustand in einen anderen geändert werden können. Schließlich müssen sie dazu in der Lage sein Verstrickung – das heißt, sie müssen sich leicht mit anderen Qubits verknüpfen lassen.
Es sind diese parallelen Multi-Qubit-Operationen, die die Leistung und das Potenzial des vollständigen Quantencomputings freisetzen.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil des neuen Qubits ist der supraleiterbasierte Mikrowellenresonator unter dem Qubit – er ist entscheidend für das Ablesen des Zustands des Qubits und die Messung seiner Funktionsfähigkeit.
„Mit dieser Plattform haben wir zum ersten Mal überhaupt eine starke Kopplung zwischen einem einzelnen Elektron in einer Umgebung nahe dem Vakuum und einem einzelnen Mikrowellenphoton im Resonator erreicht.“ sagtXianjingZhou vom Argonne National Laboratory.
„Dies eröffnet die Möglichkeit, mithilfe von Mikrowellenphotonen jedes Elektronen-Qubit zu steuern und viele davon in einem Quantenprozessor zu verknüpfen.“
Aber das ist der Haken: Diese extremen Temperaturanforderungen erfordern, dass die Tests in einem wissenschaftlichen Instrument namens Verdünnungskühlschrank durchgeführt wurden, der in der Lage ist, die Temperaturen auf lediglich 10 Milligrad über dem absoluten Nullpunkt (das sind -273,15 Grad Celsius oder -459,67 Grad Fahrenheit) zu senken.
Vor diesem Hintergrund sind wir eindeutig noch nicht in der Lage, solche Qubits in Laptops zu packen. Doch bereits in diesem frühen Stadium liegt die Leistung des Qubits hinsichtlich der Kohärenz auf dem gleichen Niveau wie seit Jahrzehnten in der Entwicklung befindliche Alternativen.
Unternehmen wie Google, Microsoft und IBM treiben ihre eigenen Qubit-Designs voran, aber die Forscher hinter der neuen Technologie glauben, dass die von ihnen entwickelte Lösung die bisher vielversprechendste sein könnte.
„Unser ehrgeiziges Ziel besteht nicht darin, mit diesen Unternehmen zu konkurrieren, sondern ein grundlegend neues Qubit-System zu entdecken und zu konstruieren, das zu einer idealen Plattform führen könnte.“ sagt Jin .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .