Bau der nächsten Computergeneration mit Quantenemittern und Infrarotlasern

Die Geschichte der Computer ist eng mit der Geschichte der modernen Technologie verknüpft. Alles begann im 19. Jahrhundert, als die französische Kauffrau und Erfinderin Marie Jacquard 1801 einen Webstuhl mit gestanzten Holzkarten erfand, mit dem sie automatisch Stoffmuster weben konnte.

Der bedeutendste Fortschritt in der automatisierten Datenverarbeitung in diesem Jahrhundert erfolgte jedoch mit der Erfindung einer dampfbetriebenen Rechenmaschine durch den englischen Mathematiker Charles Babbage, die Zahlentabellen berechnen konnte. Die bahnbrechendste Erfindung des 20. Jahrhunderts stammte 1936 vom britischen Wissenschaftler und Mathematiker Alan Turing, der eine Universalmaschine vorstellte, die später den Namen Turingmaschine erhielt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Konzept moderner Computer im Wesentlichen auf Alan Turings Ideen beruht.

Seitdem hat sich der Fortschritt beständig fortgesetzt. 1939 gründeten David Packard und Bill Hewlett die Hewlett Packard Company, und 1953 entwickelte Grace Hopper die erste Computersprache, COBOL. Anschließend veröffentlichten John Backus und sein Team von Programmierern bei IBM ein Dokument, in dem sie ihre neu geschaffene Programmiersprache FORTRAN beschrieben.

Die Flut an Erfindungen, die die Computertechnologie im Laufe der Jahre bereichert haben, konzentrierte sich auf viele verschiedene Aspekte. Manchmal war es die Entwicklung einer bahnbrechenden Sprache oder Software, manchmal aber auch entscheidender Hardware. Solche Erfindungen gibt es auch weiterhin und tragen dazu bei, die nächste Computergeneration zu bauen – etwas, das im wahrsten Sinne des Wortes „futuristisch“ ist.

In den folgenden Abschnitten werden wir uns zwei solcher Erfindungen ansehen, bei denen es um Quantenemitter und Infrarotlaser geht. 

Auf dem Weg zu einem großen Durchbruch: Ein skalierbarer Quantencomputer

Diese Leistung ist einem Forscherteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zu verdanken. Die Forscher behaupten, dass ihr Versuch erfolgreich war, Verwenden Sie eine Femtosekundenschicht, um Qubits durch Dotierung von Silizium zu erzeugen und zu „vernichten“. mit Wasserstoff. Die Forscher betonten, dass sie diese Übung auf Abruf und mit Präzision durchführen könnten. 

Um die Bedeutung dieser Forschung jedoch voll und ganz zu erkennen, müssen wir wissen, was Qubits sind und warum sie wichtig sind.

Die Notwendigkeit, Milliarden von Qubits aneinanderzureihen

Quantencomputer könnten sich als bahnbrechend erweisen, da sie Probleme millionenfach schneller lösen können als einige der derzeit modernsten Supercomputer. Diese Maschinen haben das Potenzial, revolutionäre Durchbrüche in Bereichen wie Gesundheitswesen, Pharmazie und künstliche Intelligenz herbeizuführen. Aber damit all dies passieren kann, müsste die Industrie einen Weg finden, Milliarden von Qubits oder Quantenbits, was letztendlich zur Entwicklung eines hocheffizienten Netzwerks von Quantencomputern führen wird.

Die Forschung hat nun einen Weg aufgezeigt, Quantencomputer durch die Verwendung programmierbarer optischer Qubits oder „Spin-Photon-Qubits“ zu stärken, die Quantenknoten über ein Remote-Netzwerk verbinden können. 

Kaushalya Jhuria, Postdoktorandin in der Abteilung Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) des Berkeley Lab, erklärte die Bedeutung der Forschung und die erzielten Ergebnisse und machte folgende Bemerkung:

„Um eine skalierbare Quantenarchitektur oder ein skalierbares Quantennetzwerk zu schaffen, brauchen wir Qubits, die sich bei Bedarf zuverlässig an den gewünschten Orten bilden können, sodass wir wissen, wo das Qubit liegt in einem Material. Und deshalb ist unser Ansatz so entscheidend. Denn sobald wir wissen, wo sich ein bestimmtes Qubit befindet, können wir bestimmen, wie wir dieses Qubit mit anderen Komponenten im System verbinden und ein Quantennetzwerk aufbauen können.“

Doch wie wird dieses Ziel erreicht? Durch die Bildung von Qubits in Silizium mit programmierbarer Steuerung. 

Die Geschichte der „Farbzentren“ und „Spin-Photon-Qubits“ in Silizium

Mit Unterstützung des Wissenschaftsbüros des Energieministeriums Studie In einer Gasumgebung wurden programmierbare Defekte, sogenannte „Farbzentren“, in Silizium erzeugt. Diese Farbzentren sind Kandidaten für „Spin-Photon-Qubits“ oder spezielle Telekommunikations-Qubits.

Ein Quanten- oder Qubit-Bit ist eine Grundeinheit der Quanteninformation. Diese kleinste Komponente eines Quanteninformationssystems kodiert Daten in 1, 0 oder allem dazwischen, was als Superposition bezeichnet wird. Spinphoton-Qubits hingegen emittieren Photonen mit der Fähigkeit, in Elektronenspin kodierte Informationen über große Entfernungen zu transportieren.

Um diese speziellen Qubits, die zur Unterstützung eines sicheren Quantennetzwerks beitragen können, präzise zu formen, wurde in der Studie ein ultraschneller Laser eingesetzt, der in der Lage ist, Energieimpulse in nur wenigen Femtosekunden auszusenden – jeder Impuls ist nur eine Billiardstel Sekunde lang und auf eine Fläche gerichtet, die nicht größer ist als ein Staubkorn.

Als das Team die optischen (Photolumineszenz-)Signale der resultierenden Farbzentren mit einem Nahinfrarotdetektor untersuchte, um sie zu charakterisieren, fand es ein Ci-Zentrum, einen Quantenemitter. Das Ci-Zentrum hat eine einfache Struktur und vielversprechende Spin-Eigenschaften und ist bei Raumtemperatur stabil. Damit ist es ein ziemlich beeindruckender Kandidat für ein Spin-Photon-Qubit, das Photonen im Telekommunikations- oder Frequenzband emittiert. Laut Jhuria:

„Aus der Literatur wussten wir, dass Ci gebildet werden in Silizium, aber wir hatten nicht erwartet, mit unserem Ansatz tatsächlich diesen neuen Spin-Photon-Qubit-Kandidaten herzustellen.“ 

Interessanterweise kann eine Erhöhung der Femtosekunden-Laserintensität bei der Bearbeitung von Silizium in Gegenwart von Wasserstoff auch die Mobilität des Wasserstoffs erhöhen. Dies wiederum passiviert unerwünschte Farbzentren, während das Siliziumgitter unbeschädigt bleibt.

Eine theoretische Analyse bestätigte auch die experimentellen Beobachtungen, dass die Helligkeit des Ci-Farbzentrums in Gegenwart von Wasserstoff deutlich erhöht werden kann. Wie Jhuria erklärte, können die Laserpulse die Wasserstoffatome nicht nur herausschlagen, sondern auch zurückbringen, „was die programmierbare Bildung gewünschter optischer Qubits an präzisen Stellen ermöglicht“. 

Die zuverlässige Erzeugung von Farbzentren ist lediglich der Anfang; nun möchte das Team verschiedene Qubits dazu bringen, miteinander zu kommunizieren und herauszufinden, welche die beste Leistung erbringen. 

„Die Fähigkeit, Qubits an programmierbaren Stellen in einem in großem Maßstab verfügbaren Material wie Silizium zu bilden, ist ein spannender Schritt in Richtung praktischer Quantennetzwerke und -computer.“

– Cameron Geddes, Direktor der ATAP-Abteilung

Die Technik soll als nächstes eingesetzt werden, um optische Qubits in Quantengeräte wie Wellenleiter zu integrieren und neue Spin-Photon-Qubit-Kandidaten mit für ausgewählte Anwendungen optimierten Eigenschaften zu finden.

Neue Ansätze für Quantencomputer: Die Arbeit mit Molekülen

Das Gebiet des Quantencomputings hat im Laufe der Jahre erheblich an Bedeutung gewonnen, und Forscher arbeiten ständig an der Entwicklung neuer Techniken, um es möglich zu machen. Die Manipulation organischer Moleküle ist ein Gebiet, das auf seine mögliche Anwendung im Quantencomputing untersucht wird. 

Das Team der TU Graz untersuchte, wie man kompetente Moleküle mit Infrarot-Lichtpulsen zu kleinen Magnetfeldern anregen kann. Wird diese Technik experimentell weiterentwickelt, lässt sie sich sogar in Quantencomputer-Schaltkreisen einsetzen.

Dieser Der Grund hierfür liegt darin, dass sich durch gezielte Manipulation des Infrarotlichts tatsächlich Richtung und Stärke des Magnetfelds steuern lassen. Auf diese Weise werden Moleküle zu hochpräzisen optischen Schaltern, mit denen sich dann sogar Schaltkreise für einen Quantencomputer bauen ließen, erklärt Andreas Hauser vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz.

Während Wechselwirkungen zwischen Molekülschwingungen und Spinmagnetismus in der Mikrowellenspektroskopie gut dokumentiert sind, schlägt diese Studie Methoden vor, um Molekülschwingungen aktiv anzuregen, die an gezielten Stellen ein Magnetfeld erzeugen.

Anregung von Molekülen zur Bildung magnetischer Felder durch Infrarotlaser

Bei der Bestrahlung mit Infrarotlicht beginnen Moleküle aufgrund der Energiezufuhr zu schwingen. Ausgehend von diesem Phänomen begannen Physiker herauszufinden, ob sich diese Schwingungen tatsächlich zur Erzeugung magnetischer Felder nutzen ließen.

Für ihre Berechnung verwendeten Hauser und sein Team als Beispiel Metallphthalocyanine. Das Team fand heraus, dass diese ringförmigen, aromatischen, planaren Farbstoffmoleküle aufgrund ihrer hohen Symmetrie bei Einwirkung von Infrarotpulsen winzige Magnetfelder im Nanometerbereich (< 1 nm) erzeugen. Auf dieser Grundlage sollte es möglich sein, die Stärke des schwachen, aber präzise lokalisierten Felds mittels Kernspinresonanzspektroskopie zu messen.

Das Team stützte sich nicht nur auf die Arbeit aus den Anfängen der Laserspektroskopie, sondern verwendete auch die moderne Elektronenstrukturtheorie auf Supercomputern, um zu berechnen, wie sich makrozyklische Phthalocyaninmoleküle verhalten, wenn sie zirkular polarisiertem Infrarotlicht ausgesetzt werden. 

Das Team fand heraus, dass zirkular polarisierte Lichtwellen gleichzeitig zwei Molekülschwingungen im rechten Winkel zueinander anregen. Hauser, der dies mit der Rumba-Technik vergleicht, erklärte:

„Durch die richtige Kombination von vorwärts-rückwärts und links-rechts entsteht eine kleine, geschlossene Schleife. Und diese Kreisbewegung jedes betroffenen Atomkerns erzeugt tatsächlich ein Magnetfeld, allerdings nur sehr lokal, mit Dimensionen im Bereich von wenigen Nanometern.“ 

Doch das ist alles nur Theorie. Das Team wird nun daran arbeiten, den Nachweis zu erbringen, dass sich molekulare Magnetfelder auch experimentell kontrolliert erzeugen lassen, um sie dann auch tatsächlich nutzen zu können. 

Für das Experiment müssen sie allerdings ein Substrat finden, das nur minimal mit den angestrebten Prozessen interagiert, denn für zukünftige Anwendungen ist es notwendig, das Phthalocyanin-Molekül auf einer Oberfläche zu positionieren. Dadurch verändern sich allerdings die physikalischen Bedingungen, was wiederum Auswirkungen auf die Anregung durch Licht und die Eigenschaften des Magnetfelds hat.

Bevor die Ergebnisse tatsächlich experimentell getestet werden können, muss das Team zunächst das Zusammenspiel zwischen den abgelagerten Phthalocyaninen, dem Infrarotlicht und dem Trägermaterial berechnen. Wenn das Experiment die vorhergesagten Änderungen der magnetischen Abschirmkonstanten bestätigt, so die Studie, kann dies als erste Messung eines durch Vibration erzeugten Magnetfelds mit intramolekularer Auflösung angesehen werden. 

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Unternehmen, die das Feld des Quantencomputings vorantreiben

Es gibt mehrere Unternehmen wie Microsoft, Intel und D-Wave, die an der Weiterentwicklung des Quantencomputings arbeiten. IBM ist ein prominenter Name, der sich seit vielen Jahren auf das Quantencomputing konzentriert. Erst kürzlich hat es Partnerschaft mit dem japanischen National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), um diesem dabei zu helfen, noch in diesem Jahrzehnt einen Quantencomputer mit 10,000 Qubits zu entwickeln. Werfen wir inmitten all dieser Entwicklungen einen genaueren Blick auf einige andere wichtige Namen der Branche:

# 1. Google 

Der Technologieriese hat in den vergangenen Jahren große Anstrengungen in den Bau von Quantencomputern gesteckt. Bereits 2019 demonstrierte Google zum ersten Mal, dass Quantencomputer einen Algorithmus ausführen können, der für einen herkömmlichen Supercomputer unmöglich wäre.

Im vergangenen Jahr wurde Googles Quantenprozessor Sycamore mit 70 Qubits vorgestellt – ein deutlicher Sprung gegenüber den 53 Qubits des Vorgängermodells. Damit ist er rund 241 Millionen Mal schneller und robuster als das Vorgängermodell. Googles neuer Quantencomputer simuliert zudem das Verhalten von Magneten detailreich und kann uns helfen, Magnetismus besser zu verstehen.

In Bezug auf Quantencomputing verwendet Google einen Full-Stack-Ansatz, der die nahtlose Integration von Hardware- und Softwarekomponenten umfasst. Das Unternehmen veranstaltet derzeit einen dreijährigen, mit 3 Millionen US-Dollar dotierten globalen Wettbewerb namens XPRIZE Quantum Applications, um das Feld der Quantenalgorithmen voranzutreiben.

Bei einer Marktkapitalisierung von 2.2 Billionen US-Dollar werden Google-Aktien zu 177.08 US-Dollar gehandelt, ein Plus von 26.88 % seit Jahresbeginn. Das Unternehmen hat einen Gewinn pro Aktie (EPS) von 6.52, ein KGV (P/E) von 27.18 und eine Dividendenrendite von 0.45 %. Für das erste Quartal 1 verzeichnete das Unternehmen einen Umsatz von 2024 Milliarden US-Dollar, ein Plus von 80.5 % gegenüber dem Vorjahr, während die Betriebsmarge auf 15 % stieg.

# 2. Dell 

Dieses Technologieunternehmen hat auch begonnen, einige konkrete Schritte im Bereich des Quantencomputings zu unternehmen. Kürzlich stellte Dell eine hybride klassische/Quanten-Plattform vor, die mit IonQ entwickelt wurde. Außerdem kündigte das Unternehmen eine Zusammenarbeit mit Aramco an, um Fortschritte im Bereich des Quantencomputings, der künstlichen Intelligenz und des Edge-Computings zu erforschen. Gemeinsam wollen Aramco und Dell komplexe Herausforderungen in den Bereichen Energieoptimierung, Wettermodellierung, Materialwissenschaft und vorausschauende Wartung durch Quantencomputing angehen. 

Laut Catherine Doyle, Geschäftsführerin von Dell Technologies Ireland, wird das Quantencomputing auch zur Weiterentwicklung der KI beitragen, da es „in naher Zukunft eine immer größere Rolle spielen wird“.

Bei einer Marktkapitalisierung von 100.74 Milliarden US-Dollar werden Dell-Aktien derzeit zu 144.50 US-Dollar gehandelt, was einem Anstieg von 85.66 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Das Unternehmen hat einen Gewinn pro Aktie (EPS) von 4.36, ein KGV (P/E) von 32.55 und eine Dividendenrendite von 1.25 %. Für das erste Quartal 1 verzeichnete das Unternehmen einen Umsatz von 2024 Milliarden US-Dollar und einen Nettogewinn von 22.2 Millionen US-Dollar.

Fazit

Quantencomputing ist für Forscher, Organisationen und Regierungen zu einem wachsenden Interessengebiet geworden. Aufgrund seiner Fähigkeit, hohe Geschwindigkeit, verbesserte Sicherheit, mehr Effizienz, genaue Simulation und verbesserte Analyse zu bieten, ist es sinnvoll, dass es zusammen mit fortgesetzter Forschung und Investitionen einen verstärkten Fokus gibt, der dazu führen könnte, dass Quantencomputing endlich Realität wird und branchenübergreifend Anwendung findet.

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