Neues Quanten-Computer-Design könnte zu praktischer Hardware führen

Quantencomputer versprechen die Fähigkeit, komplexe Probleme, wie z. B. die Entschlüsselung verschlüsselter Kommunikation und die Entwicklung neuer Arzneimittel, viel schneller anzugehen als herkömmliche Maschinen. Aber bis jetzt wurden Quantencomputer nur verwendet, um spezifische Probleme anzugehen, meist um zu demonstrieren, wie sie funktionieren.

Jetzt haben Wissenschaftler einen neuen Weg vorgeschlagen, um einen Quantencomputer mit Mikrowellen zu bauen, um einzelne Atome zu steuern, und sie sagen, dass die neue Methode einen Bauplan für eine nützlichere Rechenmaschine bietet.

"Wir verwenden einige neue Konzepte, die den Aufbau eines Quantencomputers enorm vereinfachen", sagte Winfried Hensinger, Direktor der Ion Quantum Technology Group an der University of Sussex in Großbritannien. Hensinger leitete die neue Studie, die das Design skizziert. [Top 10 revolutionäre Computer]

Der Quantencomputer würde aus Kreuzungen bestehen, die die Bewegung geladener Atome steuern, die Ionen genannt werden. Bis zu 1296 Verbindungsstellen konnten auf einen herkömmlichen 3,5 Zoll (9 cm) großen Siliziumwafer aufgebracht werden, und die Wafer konnten verbunden werden, was einen Computer mit so vielen Quantenbits wie nötig ermöglichte. Im Gegensatz dazu haben derzeitige Quantencomputer höchstens ein Dutzend Bits.

Quantencomputer funktionieren nicht so wie normale Maschinen. In einem typischen Computer sind die Bits in Millionen von winzigen Schaltungen codiert und haben einen Wert von 1 oder 0. In einem Quantencomputer werden die Bits, Qubits genannt, durch den Quantenzustand angeregter Atome codiert und können 1, 0 sein oder irgendeinen Wert dazwischen.

Qubits können dies tun, weil die Quantenmechanik eine Superposition von Zuständen erlaubt; Ein Teilchen ist nie wirklich in dem einen oder anderen Zustand, bis es beobachtet wird, was bedeutet, dass es in messbarer Weise mit der Außenwelt interagieren muss. Überlagerung bedeutet nicht, dass der Staat einfach ungesehen ist; es kann wirklich beides zugleich sein. Weil die Qubits in mehr als einem Zustand gleichzeitig sind, könnte ein Quantencomputer viele Berechnungen gleichzeitig effektiv angehen.

Überlagerung ist jedoch auch der Grund, warum Quantencomputer schwer zu bauen sind. Die Ionen in ihren überlagerten Zuständen können nichts von außen berühren. Selbst Streustrahlung kann dazu führen, dass das Ion in einen Zustand "kollabiert", was den Forschern zufolge die Fähigkeit der Qubits, all diese Berechnungen durchzuführen, zunichte macht.

Neues Design

In der neuen Architektur besteht jede Kreuzung aus vier Elektroden, die sich wie eine Kreuzung treffen. Unter den Elektroden befinden sich Drähte, die Strom führen und ein Magnetfeld erzeugen. Das Magnetfeld steuert die Bewegung der "Daten" -Ionen, die von der "Beladungs" -Zone auf einer Elektrode gehen, um ein anderes Ion in der "Verfilzungs" -Zone auf der Gegenelektrode zu treffen, sagte Hensinger.

Mikrowellen werden auf die beiden Ionen gestrahlt, während sie sich treffen, und sie sind verstrickt. Das bedeutet, dass alles, was mit einem Ion passiert, sofort in dem zweiten reflektiert wird. Hier wird der Wert 1 oder 0 codiert, der Wert ist jedoch unbekannt. Durch die Änderung der Magnetfelder wird das Daten-Ion wieder zurück zur "Kreuzung" bewegt, wo es sich zu einer dritten Elektrode dreht, die als Erkennungszone bezeichnet wird. An diesem Punkt trifft ein Laser das Ion und zeigt seinen Zustand an - 1 oder 0.

Mit Tausenden von diesen Verbindungen, die miteinander verbunden sind, könnten Wissenschaftler laut der Studie einen echten Quantencomputer bauen. Hensinger und seine Kollegen sehen Module von 2,2 Millionen Knoten, etwa 14 Fuß (4,3 Meter) auf einer Seite, die aneinander befestigt sind. Tausend solcher Module wären so groß wie ein Fußballfeld und hätten 2 Milliarden Ionen, was ungefähr so ​​vielen Qubits entspricht, so die Forscher.

Es ist die Verwendung der Mikrowellen und Magnetfelder, die das Design einfacher zu vergrößern, sagte Hensinger Live Science.

"Traditionell benutzt man Laser, um Quantengatter auszuführen", sagte er. "Aber um einen Computer mit vielen Qubits zu machen, braucht man eine Milliarde Laserstrahlen." Das war nicht praktisch, also suchte sein Team einen anderen Weg.

Andere Quantencomputer-Designs fangen Ionen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auf, der theoretisch kältesten Temperatur (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad Celsius). Hensinger sagte, dass die Maschine bei viel höheren Temperaturen, ungefähr minus 351 Grad Fahrenheit (minus 213 Grad Celsius), arbeiten kann, wobei flüssiger Stickstoff als Kühlmittel verwendet wird.

Dieser Typ eines Quantencomputers könnte laut Studie eine 617-stellige Zahl in 110 Tagen faktorisieren. Solche großen Zahlen werden bei der Verschlüsselung für viele Kommunikationen im Internet verwendet. (Im Gegensatz zum populären Mythos würde der Quantencomputer nicht jeden einzelnen Faktor ausprobieren; vielmehr würde er eine Abkürzung finden, die es einem gewöhnlichen Computer ermöglicht, leichter die Faktoren zu berechnen, die Sie für Ihre große Zahl benötigen.)

DigiCert, ein in den USA ansässiges Unternehmen, das digitale Zertifikate für die gemeinsame sichere Kommunikation anbietet, sagt auf seiner Website, dass sogar 1.000 Desktop-Computer, die zusammenarbeiten, länger brauchen würden als das Alter des Universums, um mit dieser Leistung Schritt zu halten.

Fortschritte machen

Christopher Monroe, Professor für Physik am Joint Quantum Institute der University of Maryland, der an Quantencomputer-Designs gearbeitet hat, sagte, er mag die Ideen, die für diesen Quantencomputer entworfen wurden, weil die Module nicht auf exotischen Technologien basieren Papier könnte heute gebaut werden. Auf der anderen Seite wäre der eigentliche Aufbau des Quantencomputers eine echte Herausforderung, fügte er hinzu.

Ein Problem ist die schiere Größe der Maschine; Die Studie stellt fest, dass es mehr als 300 Fuß (91 m) auf einer Seite messen würde, wenn es 2 Milliarden Bits hätte.

Trotzdem sagte Monroe, dass diese Studie einen Versuch unternimmt, Probleme anzugehen, die frühere Forschungen nicht hatten. Zum Beispiel haben Hensinger und sein Team das Problem untersucht, den Computer so kalt zu halten, dass er zuverlässig funktioniert, weil Hitze die Qubits verderben kann.

"Laser und Drähte, die Strom führen, um Magnetfelder zu erzeugen, sind wahre Hitzefresser", sagte Monroe und es war eine gute Idee, ein Kühlsystem einzubauen.

Entwürfe wie dieser sind eine Bewegung in Richtung zu wirklichem Technik, sagte Bill Munro, der die theoretische Forschungsgruppe der Quantenphysik beim japanischen Telekommunikationsunternehmen NTT leitet. Dennoch bleiben einige Herausforderungen bestehen, sagte er.

"Es gibt einen großen Unterschied zwischen Theorie und Design und tatsächlich zu bauen", sagte Munro. Die Einfachheit des Designs macht es jedoch plausibel, fügte er hinzu. "Der Schlüssel ist nicht eine Milliarde [Qubits]. Du produzierst einen, dann 10 oder 100. Es ist etwas, was wir vermisst haben."

Die neue Studie wurde heute online (1. Februar) in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

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