Der „Kippschalter“ des NIST und die Zukunft des Quantencomputings

Das neue Gerät könnte zu vielseitigeren Quantenprozessoren mit klareren Ausgängen führen.

Was nützt ein leistungsstarker Computer, wenn Sie seine Ausgabe nicht lesen können? Oder einfach umprogrammiert werden, um verschiedene Funktionen auszuführen? Menschen, die Quantencomputer entwickeln, stehen vor diesen Herausforderungen, und das neue Gerät könnte es einfacher machen, sie zu lösen.

Das von einem Team von Wissenschaftlern am National Institute of Standards and Technology (NIST) vorgestellte Gerät enthält zwei supraleitende Quantenbits oder Qubits, die ein Quantencomputer-Analogon der logischen Qubits in einem klassischen Computerverarbeitungschip sind. Das Herzstück dieser neuen Strategie basiert auf einem „Switch Toggle“-Gerät, das Qubits mit einer Schaltung namens „Leseresonator“ verbindet, die die Ausgabe der Qubit-Berechnungen lesen kann.

Kippschaltermechanismus

Dieser Schalter kann in verschiedene Zustände umgelegt werden, um die Stärke der Verbindungen zwischen dem Qubit und dem Ausleseresonator anzupassen. Beim Umschalten werden alle drei Elemente voneinander isoliert. Wenn Sie den Schalter betätigen, um die beiden Qubits zu verbinden, können sie interagieren und mathematische Operationen ausführen. Sobald die Berechnungen abgeschlossen sind, kann der Schalter jedes der Qubits und den Leseresonator verbinden, um die Ergebnisse abzurufen.

Ein programmierbarer Schalter trägt wesentlich zur Reduzierung von Rauschen bei, einem häufigen Problem in Quantencomputerschaltungen, das es Qubits erschwert, Berechnungen durchzuführen und ihre Ergebnisse klar darzustellen.

Dieses Bild zeigt den zentralen Arbeitsbereich des Geräts. Im unteren Bereich repräsentieren die drei großen Rechtecke (hellblau) rechts und links die beiden Qubits bzw. Qubits und in der Mitte den Resonator. Im vergrößerten oberen Bild induzieren bewegte Mikrowellen durch die Antenne (großes dunkelblaues Rechteck unten) ein Magnetfeld in der SQUID-Schleife (kleineres weißes Quadrat in der Mitte, Seiten etwa 20 μm lang). Das Magnetfeld aktiviert den Kippschalter. Frequenz und Stärke der Mikrowellen bestimmen die Position des Schlüssels und die Stärke der Verbindung zwischen Qubit und Resonator. Bildnachweis: R. Simmonds/NIST

Verbessern Sie Leistung und Wiedergabetreue

„Das Ziel besteht darin, die Qubits bei Laune zu halten, damit sie ohne Ablenkung rechnen können und sie gleichzeitig lesen können, wenn wir wollen“, sagte Ray Symonds, ein NIST-Physiker und einer der Autoren der Studie. „Diese Gerätearchitektur trägt zum Schutz von Qubits bei und verspricht, unsere Fähigkeit zu verbessern, die hochpräzisen Messungen durchzuführen, die für den Bau von Quanteninformationsprozessoren aus Qubits erforderlich sind.“

Das Team, zu dem auch Wissenschaftler der University of Massachusetts Lowell, der University of Colorado Boulder und Raytheon BBN Technologies gehören, beschreibt seine Ergebnisse in einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel. Naturphysik.

Quantencomputing: aktueller Stand und Herausforderungen

Quantencomputer, die sich immer noch weiterentwickeln, würden die exotischen Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, um Aufgaben zu erledigen, die selbst unsere leistungsstärksten klassischen Computer nur schwer lösen könnten, wie etwa die Unterstützung bei der Entwicklung neuer Medikamente durch die Durchführung komplexer Simulationen chemischer Reaktionen. .

Allerdings stehen Entwickler von Quantencomputern immer noch vor vielen Problemen. Ein solcher Faktor besteht darin, dass Quantenschaltkreise durch externes oder sogar internes Rauschen beeinträchtigt werden, das durch Defekte in den für die Herstellung von Computern verwendeten Materialien entsteht. Bei diesem Rauschen handelt es sich im Wesentlichen um zufälliges Verhalten, das zu Fehlern bei Qubit-Berechnungen führen kann.

Das Rauschproblem im Quantencomputing

Bestehende Qubits sind von Natur aus selbst verrauscht, aber das ist nicht das einzige Problem. Viele Quantencomputerdesigns verfügen über eine sogenannte statische Architektur, bei der jedes Qubit im Prozessor physisch an seine Nachbarn und seinen eigenen Leseresonator gebunden ist. Die hergestellten Drähte, die die Qubits zusammenhalten, und ihre Messwerte können sie stärkerem Rauschen aussetzen.

Solche statischen Konstrukte haben einen weiteren Nachteil: Sie können nicht einfach umprogrammiert werden. Die Qubits einer festen Architektur können einige verwandte Funktionen ausführen, aber damit ein Computer ein breites Spektrum an Aufgaben ausführen kann, muss er auf ein anderes Prozessordesign mit einer anderen Qubit-Organisation oder einem anderen Qubit-Layout umsteigen. (Stellen Sie sich vor, Sie wechseln den Chip in Ihrem Laptop jedes Mal, wenn Sie ein anderes Programm verwenden müssen, und denken Sie daran, dass der Chip darüber klein gehalten werden muss Absoluter Nullpunktund Sie werden sehen, warum das nicht angemessen ist.)

Programmierbare Kippschalterlösung

Ein teamprogrammierbarer Kippschalter vermeidet beide Probleme. Erstens verhindert es, dass Schaltungsrauschen durch den Ausleseresonator in das System eindringt, und verhindert, dass die Qubits miteinander kommunizieren, wenn sie eigentlich ruhig sein sollen.

„Dadurch wird eine Hauptrauschquelle in einem Quantencomputer reduziert“, sagte Symonds.

Zweitens wird das Öffnen und Schließen von Schaltern zwischen Elementen durch eine Reihe von aus der Ferne gesendeten Mikrowellenimpulsen gesteuert, nicht durch die physischen Verbindungen der statischen Architektur. Der Einbau weiterer dieser Schalter könnte die Grundlage für einen einfach zu programmierenden Quantencomputer sein. Die Mikrowellenimpulse können auch die Reihenfolge und Abfolge logischer Operationen festlegen, was bedeutet, dass ein Chip mit vielen Teamschaltern angewiesen werden kann, eine beliebige Anzahl von Aufgaben auszuführen.

„Dadurch wird der Chip programmierbar“, sagte Symonds. „Anstatt einen völlig statischen Aufbau auf dem Chip zu haben, können Sie Änderungen per Software vornehmen.“

Zusätzliche Vorteile und zukünftige Richtungen

Ein letzter Vorteil besteht darin, dass ein Schalter auch eine Messung beider Qubits gleichzeitig auslösen kann. Diese Fähigkeit, von beiden Qubits zu verlangen, dass sie sich als Paar offenbaren, ist wichtig für die Verfolgung von Quantenrechenfehlern.

Die Qubits in dieser Demonstration sowie der Schalter und die Ausleseschaltung bestanden alle aus supraleitenden Komponenten, die Elektrizität ohne Widerstand leiten und bei extrem kalten Temperaturen betrieben werden müssen. Der Schalter selbst besteht aus einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät oder „SQUID“, das sehr empfindlich auf Magnetfelder reagiert, die durch seine Schleife laufen. Das Bewegen eines Mikrowellenstroms durch eine nahegelegene Antennenschleife kann bei Bedarf zu Wechselwirkungen zwischen den Qubits und dem Ausleseresonator führen.

Zu diesem Zeitpunkt hat das Team nur mit zwei Qubits und einem Leseresonator gearbeitet, aber Symonds sagte, dass sie einen Entwurf mit drei Qubits und zwei Leseresonatoren vorbereiten und planen, auch weitere Qubits und Resonatoren hinzuzufügen. Weitere Forschung könnte Erkenntnisse darüber liefern, wie viele dieser Geräte miteinander verbunden werden können, was eine Möglichkeit bieten könnte, einen leistungsstarken Quantencomputer mit genügend Qubits zu schaffen, um die Art von Problemen zu lösen, die derzeit unüberwindbar sind.

Referenz: „Starke dispersive parametrische Transformationen in einem statisch diskreten Zwei-Qubit-Hohlraum-QED-System“ von T. Noh, Z. Xiao, XY Jin, K. Cicak, E. Doucet, J. Aumentado, LCG Govia, L. Ranzani, A Kamal und RW Simmonds, 26. Juni 2023, hier verfügbar. Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-023-02107-2