Wissenschaftler entdecken „fehlendes Stück“ beim Durchbruch von Quantencomputern | Wissenschaft und technische Nachrichten

Wissenschaftler der University of New South Wales in Sydney, Australien, haben die Entdeckung eines großen Durchbruchs im Quantencomputing bekannt gegeben.

Bisher konnten Quantenwissenschaftler und Computeringenieure nur Proof-of-Concept-Modelle von Quantenprozessoren verwenden, die mit nur wenigen Spin-Qubits arbeiten, dem Quantenäquivalent eines Bits.

Jetzt haben neue Forschungsergebnisse, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurden, eine Technik identifiziert, von der Forscher behaupten, dass sie Millionen dieser Qubits kontrollieren kann.

Das Team betrachtet ihr Design als das „fehlende Puzzle“ in der Quantencomputerarchitektur.

In einem herkömmlichen Computer wird ein Bit – die einzelne Informationseinheit, entweder eine 0 oder eine 1 – in der elektronischen Schaltung des Computers selbst gespeichert, insbesondere im Kondensator eines Speichers, wobei der Wert davon abhängt, oder der Kondensator wird geladen oder entlassen.

Spin-Qubit-Quantencomputer ersetzen diesen Kondensator durch ein einzelnes Quantenteilchen – das Elektron – und seinen „Spin“-Wert.

Dr. Jarryd Play, ein Forscher an der UNSW, erklärte: „Bisher hat sich die Steuerung von Elektron-Spin-Qubits darauf verlassen, dass wir Magnetfelder erzeugen, indem wir einen Strom durch einen Draht direkt neben dem Qubit platzieren.

„Es stellt einige echte Herausforderungen dar, wenn wir auf die Millionen von Qubits skalieren wollen, die ein Quantencomputer benötigt, um weltweit wichtige Probleme zu lösen, wie zum Beispiel die Entwicklung neuer Impfstoffe.

„Erstens nehmen die Magnetfelder mit der Entfernung schnell ab, sodass wir nur die Qubits kontrollieren können, die dem Draht am nächsten sind.

„Das bedeutet, dass wir immer mehr Drähte hinzufügen müssen, wenn wir immer mehr Qubits einbringen, was viel Platz auf dem Chip beanspruchen wird.“

Das Problem ist, dass diese Chips bei extrem kalten Temperaturen unter -270 °C arbeiten müssen, und wenn mehr Drähte eingeführt werden, kann dies die Temperatur des Chips beeinträchtigen und die Zuverlässigkeit des Qubits beeinträchtigen.

„Wir können mit dieser Drahttechnik also nur wenige Qubits steuern“, sagt Dr. sagte Pla.

Der Durchbruch gelang in der Neugestaltung der gesamten Struktur eines Chips. Anstatt Tausende von Steuerdrähten über das Siliziumstück zu führen, erzeugte das Team ein Magnetfeld über dem Chip, das alle Qubits gleichzeitig manipulieren konnte.

Es wurde erstmals in den 1990er Jahren vorgeschlagen, aber neue Forschungen sind der erste praktische Weg, dies zu erreichen.

„Zuerst haben wir den Draht entlang der Qubits entfernt und dann einen neuen Weg gefunden, magnetische Steuerfelder in der Mikrowellenfrequenz über das gesamte System zu liefern. So könnten wir im Prinzip Steuerfelder bis zu vier Millionen Qubits liefern“, sagt Dr. Sich kümmern.

Über dem Siliziumwafer fügten die Forscher dann eine neue Komponente hinzu, ein Kristallprisma, ein sogenannter dielektrischer Resonator, mit dem sich die Wellenlänge der Mikrowellen auf eine kleinere Größe fokussieren lässt.

„Der dielektrische Resonator schrumpft die Wellenlänge auf unter einen Millimeter, sodass wir jetzt eine sehr effiziente Umwandlung der Mikrowellenleistung in das Magnetfeld haben, das die Rotation aller Qubits steuert.

„Es gibt zwei wichtige Neuerungen. Erstens müssen wir nicht viel Aufwand betreiben, um ein starkes Antriebsfeld für die Qubits zu bekommen, was im Wesentlichen bedeutet, dass wir nicht viel Wärme erzeugen einheitlich über den Chip, sodass Millionen von Qubits alle das gleiche Maß an Kontrolle erfahren.“

Die Experimente des Teams, mit denen sie Millionen von Qubits gleichzeitig kontrollieren konnten, waren ein Erfolg, obwohl „es noch technische Herausforderungen zu lösen sind, bevor Prozessoren mit einer Million Qubits hergestellt werden können“, sagte Dr. Pla.