Die nächste Generation von Computern mit Quantenemittenten und Infrarotlasern bauen

Die Geschichte der Computer ist eng mit der Geschichte der modernen Technologie verknüpft. Alles begann im 19. Jahrhundert, als 1801 ein französischer Kaufmann und Erfinder, Marie Jacquard, einen Webstuhl mit gestanzten Holzkarten erfand, um Stoffdesigns automatisch zu weben.

Der bedeutendste Fortschritt in der automatisierten Datenverarbeitung dieses Jahrhunderts erfolgte jedoch, als der englische Mathematiker Charles Babbage eine dampfbetriebene Rechenmaschine entwickelte, die in der Lage war, Zahlentabellen zu berechnen. Die bahnbrechendste Erfindung des 20. Jahrhunderts kam 1936 von Alan Turing, einem britischen Wissenschaftler und Mathematiker, der eine universelle Maschine einführte, später Turing‑Maschine genannt. Wissenschaftler behaupten, dass das Konzept moderner Computer grundlegend auf Alan Turings Ideen basiert.

Seitdem war es eine Kette von Fortschritten. 1939 gründeten David Packard und Bill Hewlett die Hewlett‑Packard Company, und 1953 entwickelte Grace Hopper die erste Computersprache COBOL, gefolgt von John Backus und seinem Team von Programmierern bei IBM, die ein Papier veröffentlichten, das ihre neu geschaffene Programmiersprache FORTRAN beschrieb.

Der Strom von Erfindungen, die die Computertechnologie im Laufe der Jahre bereichern, konzentrierte sich auf mehrere Aspekte. Manchmal war es die Entwicklung einer bahnbrechenden Sprache oder Software und ein anderes Mal entscheidende Hardware. Solche Erfindungen geschehen weiterhin und helfen, die nächste Generation von Computern zu bauen, etwas wahrhaft „futuristisch“ im eigentlichen Sinne des Wortes.

In den folgenden Abschnitten werden wir uns zwei solcher Erfindungen ansehen, die Quantenemittenten und Infrarotlaser beinhalten.

Auf dem Weg zu einem großen Durchbruch: Ein skalierbarer Quantencomputer

Der Durchbruch stammt von einem Forscherteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Die Forscher behaupten, bei ihrem Versuch erfolgreich gewesen zu sein, eine Femtosekunden‑Schicht zu nutzen, um Qubits zu erzeugen und zu „annihilieren“, indem sie Silizium mit Wasserstoff dotieren. Die Forscher betonten, dass sie diese Vorgehensweise auf Abruf und mit Präzision durchführen können.

Aber um die Bedeutung der Forschung in vollem Umfang zu erfassen, müssen wir wissen, was Qubits sind und warum sie wichtig sind!

Die Notwendigkeit, Milliarden von Qubits zu verknüpfen

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits or quantum bits, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

Die Forschung hat nun einen Weg gezeigt, Quantencomputer zu stärken, indem programmierbare optische Qubits oder „Spin‑Photon‑Qubits“ verwendet werden, die Quantenknoten über ein entferntes Netzwerk verbinden können.

Während sie die Bedeutung der Forschung und der erzielten Ergebnisse erklärte, bemerkte Kaushalya Jhuria, eine Postdoktorandin in der Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) Division des Berkeley Lab, Folgendes:

“Um eine skalierbare Quantenarchitektur oder ein Netzwerk zu schaffen, benötigen wir Qubits, die zuverlässig auf Abruf an gewünschten Orten entstehen, sodass wir wissen, wo das Qubit in einem Material positioniert ist. Und genau deshalb ist unser Ansatz entscheidend. Denn sobald wir wissen, wo ein bestimmtes Qubit sitzt, können wir bestimmen, wie wir dieses Qubit mit anderen Komponenten im System verbinden und ein Quantennetzwerk aufbauen.”

Aber wie erreicht die Forschung dieses Ziel? Sie tut dies, indem sie Qubits in Silizium mit programmierbarer Kontrolle bildet.

Die Geschichte der ‘Farbzentren’ in Silizium und der ‘Spin‑Photon‑Qubits’

Mit Unterstützung des Office of Science des DOE nutzte die Studie ein Gasumfeld, um programmierbare Defekte, sogenannte „Farbzentren“, in Silizium zu erzeugen. Diese Farbzentren sind Kandidaten für „Spin‑Photon‑Qubits“ oder spezielle Telekommunikations‑Qubits.

Quantum‑ oder Qubit‑Bit ist die Basiseinheit der Quanteninformation. Diese kleinste Komponente eines Quanteninformationssystems codiert Daten in 1, 0 oder alles dazwischen, was als Superposition bezeichnet wird. Spin‑Photon‑Qubits hingegen emittieren Photonen, die die in der Elektronenspins codierten Informationen über große Entfernungen tragen können.

Um nun diese speziellen Qubits zu bilden, die ein sicheres Quantennetzwerk präzise unterstützen können, nutzte die Studie einen ultrafast‑Laser, der Energiestoßimpulse von nur wenigen Femtosekunden erzeugt — jeder Impuls so kurz wie ein Billiard‑Millionstel einer Sekunde, gerichtet auf ein Gebiet, das nicht größer ist als ein Staubkorn.

Beim Untersuchen der optischen (Photolumineszenz‑) Signale der resultierenden Farbzentren mit einem Nah‑Infrarot‑Detektor zum Zweck ihrer Charakterisierung fand das Team ein Ci‑Zentrum, das ein Quantenemittent ist. Das Ci‑Zentrum hat eine einfache Struktur und vielversprechende Spin‑Eigenschaften, während es bei Raumtemperatur stabil ist, was es zu einem ziemlich beeindruckenden Kandidaten für Spin‑Photon‑Qubits macht, der Photonen im Telekom‑ oder Frequenzband emittiert. Laut Jhuria:

„Wir wussten aus der Literatur, dass Ci in Silizium gebildet werden kann, aber wir erwarteten nicht, diesen neuen Kandidaten für Spin‑Photon‑Qubits mit unserem Ansatz tatsächlich zu erzeugen.“

Interessanterweise kann das Erhöhen der Intensität des Femtosekunden‑Lasers beim Bearbeiten von Silizium in Gegenwart von Wasserstoff auch die Mobilität des Wasserstoffs erhöhen. Dies passiviert unerwünschte Farbzentren, während das Siliziumgitter unbeschädigt bleibt.

Eine theoretische Analyse bestätigte ebenfalls die experimentellen Beobachtungen, dass die Helligkeit des Ci‑Farbzentrums in Gegenwart von Wasserstoff erheblich gesteigert werden kann. Wie Jhuria erklärte, können die Laserimpulse nicht nur herausstoßen, sondern auch die Wasserstoffatome zurückbringen, „was die programmierbare Bildung gewünschter optischer Qubits an präzisen Orten ermöglicht.“

Zuverlässig Farbzentren herzustellen ist nur der Anfang; jetzt möchte das Team verschiedene Qubits miteinander kommunizieren lassen und sehen, welche am besten funktionieren.

„Die Fähigkeit, Qubits an programmierbaren Standorten in einem Material wie Silizium zu bilden, das in großem Maßstab verfügbar ist, ist ein aufregender Schritt in Richtung praktischer Quantenvernetzung und -rechnen.“

– Cameron Geddes, Direktor der ATAP‑Division

Die Technik wird künftig verwendet, um optische Qubits in Quanten­geräten wie Wellenleitern zu integrieren sowie neue Kandidaten für Spin‑Photon‑Qubits mit für ausgewählte Anwendungen optimierten Eigenschaften zu finden.

Neue Ansätze zur Realisierung von Quantencomputing: Arbeiten mit Molekülen

Das Feld des Quantencomputings hat im Laufe der Jahre erheblich an Schwung gewonnen, wobei Forscher ständig nach neuen Techniken suchen, um es zu ermöglichen. Die Manipulation organischer Moleküle ist ein Forschungsgebiet, das wegen seines Potenzials für das Quantencomputing untersucht wird.

Das Team der TU Graz untersuchte, wie kompetente Moleküle mit Infrarot‑Lichtpulsen angeregt werden können, um kleine Magnetfelder zu erzeugen. Wenn diese Technik in Experimenten weiter erfolgreich entwickelt wird, könnte sie sogar in Schaltkreisen von Quantencomputern eingesetzt werden.

Dies liegt daran, dass die selektive Manipulation von Infrarotlicht tatsächlich die Kontrolle über Richtung und Stärke des Magnetfeldes ermöglicht. Durch diese Umwandlung werden Moleküle zu hochpräzisen optischen Schaltern, die dann laut Andreas Hauser vom Institut für Experimentalphysik an der TU Graz sogar zum Bau von Schaltkreisen für einen Quantencomputer verwendet werden können.

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

Moleküle mit Infrarotlasern anregen, um Magnetfelder zu erzeugen

Wenn Moleküle mit Infrarotlicht bestrahlt werden, beginnen sie aufgrund der Energiezufuhr zu vibrieren. Unter Nutzung dieses Phänomens begannen Physiker zu untersuchen, ob diese Vibrationen tatsächlich zur Erzeugung von Magnetfeldern genutzt werden können.

Für ihre Berechnungen nutzten Hauser und sein Team Metall‑Phthalocyanine als Beispiel. Das Team stellte fest, dass aufgrund der hohen Symmetrie dieser ringförmigen, aromatischen, planaren Farbstoffmoleküle bei Bestrahlung mit Infrarotimpulsen winzige Magnetfelder im Nanometer‑Bereich (< 1 nm) erzeugt werden. Auf dieser Basis sollte die Messung der Stärke des schwachen, aber präzise lokalisierten Feldes mittels Kernspin‑Resonanz‑Spektroskopie (NMR) machbar sein.

Neben der Nutzung früher Arbeiten der Laserspektroskopie zog das Team auch moderne Elektronenstrukturtheorie auf Supercomputern heran, um zu berechnen, wie makrozyklische Phthalocyanin‑Moleküle reagieren, wenn sie mit zirkular polarisiertem Infrarotlicht beleuchtet werden.

Das Team stellte fest, dass zirkular polarisierte Lichtwellen gleichzeitig zwei molekulare Vibrationen in rechtwinkliger Anordnung anregen. In Anlehnung an die Rumba‑Technik erklärte Hauser:

„Die richtige Kombination aus Vorwärts‑Rückwärts und Links‑Rechts erzeugt eine kleine, geschlossene Schleife. Und diese kreisförmige Bewegung jedes betroffenen Atomkerns erzeugt tatsächlich ein Magnetfeld, jedoch nur sehr lokal, mit Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern.“

Das ist jedoch alles nur theoretisch. Das Team wird nun daran arbeiten, experimentell zu beweisen, dass molekulare Magnetfelder kontrolliert erzeugt werden können, damit sie tatsächlich genutzt werden können.

Für das Experiment müssen sie jedoch ein Substrat identifizieren, das nur minimal mit den angestrebten Prozessen interagiert, da kommende Anwendungen das Platzieren des Phthalocyanin‑Moleküls auf einer Oberfläche erfordern. Dies verändert jedoch die physikalischen Bedingungen, was wiederum die durch das Licht hervorgerufene Anregung und die Eigenschaften des Magnetfeldes beeinflusst.

Bevor es also wirklich in Experimenten getestet werden kann, muss das Team zunächst das Zusammenspiel zwischen den aufgebrachten Phthalocyaninen, dem Infrarotlicht und dem Trägermaterial berechnen. Bestätigt das Experiment die vorhergesagten Änderungen der magnetischen Abschirmkonstanten, so kann die Studie dies als die erste Messung eines durch Vibration erzeugten Magnetfeldes mit intramolekularer Auflösung ansehen.

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Unternehmen, die das Feld des Quantencomputings vorantreiben

Es gibt mehrere Unternehmen, wie Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) und D‑Wave, die daran arbeiten, das Quantencomputing voranzubringen. IBM ist ein prominenter Name, der sich seit vielen Jahren auf Quantencomputing konzentriert. Kürzlich hat es eine Partnerschaft mit dem japanischen National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) geschlossen, um diesem zu helfen, einen Quantencomputer mit 10.000 Qubits noch vor Ende dieses Jahrzehnts zu produzieren. Lassen Sie uns also, angesichts all dieser Entwicklungen, einen genaueren Blick auf einige weitere wichtige Namen in diesem Sektor werfen:

#1. Google 

Der Technologieriese hat in den vergangenen Jahren viel Aufwand in den Bau von Quantencomputern gesteckt. Bereits 2019 zeigte Google zum ersten Mal, dass Quantencomputer einen Algorithmus ausführen können, der für einen herkömmlichen Supercomputer unmöglich zu bewältigen wäre.

Im letzten Jahr wurde Googles Quantenprozessor Sycamore mit 70 Qubits vorgestellt, ein Sprung gegenüber der Vorgängerversion mit 53 Qubits. Das macht ihn etwa 241 Millionen Mal schneller und robuster als das vorherige Modell. Googles neuer Quantencomputer simuliert gleichzeitig das Verhalten von Magneten im Detail und kann uns helfen, ein tieferes Verständnis des Magnetismus zu erlangen.

Im Hinblick auf Quantencomputing verwendet Google einen Full‑Stack‑Ansatz, der die nahtlose Integration von Hardware‑ und Softwarekomponenten umfasst. Das Unternehmen führt derzeit einen dreijährigen, 5 Mio. $‑globalen Wettbewerb namens XPRIZE Quantum Applications durch, um das Feld der Quantenalgorithmen voranzubringen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 2,2 Billionen $ handeln die Google‑Aktien bei 177,08 $, ein Anstieg von 26,88 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 6,52, ein KGV (TTM) von 27,18 und eine Dividendenrendite von 0,45 %. Für das 1. Quartal 2024 verzeichnete das Unternehmen einen Umsatz von 80,5 Milliarden $, ein Anstieg von 15 % gegenüber dem Vorjahr, während die operative Marge auf 32 % wuchs.

#2. Dell 

Dieses Technologieunternehmen hat ebenfalls konkrete Schritte im Quantencomputing unternommen. Kürzlich stellte Dell eine hybride klassische/Quanten‑Plattform vor, die zusammen mit IonQ entwickelt wurde. Es kündigte außerdem eine Zusammenarbeit mit Aramco an, um Fortschritte im Quantencomputing, KI und Edge‑Computing zu erforschen. Gemeinsam wollen Aramco und Dell komplexe Herausforderungen in den Bereichen Energieoptimierung, Wettermodellierung, Materialwissenschaften und vorausschauende Wartung mittels Quantencomputing angehen.

Laut Catherine Doyle, Managing Director von Dell Technologies (DELL ) Ireland, wird Quantencomputing auch die KI‑Entwicklungen unterstützen, da es „in naher Zukunft eng miteinander verflochten sein wird.“

Mit einer Marktkapitalisierung von 100,74 Milliarden $ handeln die Dell‑Aktien derzeit bei 144,50 $, ein Anstieg von 85,66 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 4,36, ein KGV (TTM) von 32,55 und eine Dividendenrendite von 1,25 %. Für das 1. Quartal 2024 verzeichnete das Unternehmen einen Umsatz von 22,2 Milliarden $ und einen Nettogewinn von 60 Millionen $.

Fazit

Quantencomputing ist ein wachsendes Interessensgebiet für Forscher, Organisationen und Regierungen. Aufgrund seiner Fähigkeit, hohe Geschwindigkeit, verbesserte Sicherheit, mehr Effizienz, genaue Simulationen und verbesserte Analysen zu bieten, ist es verständlich, dass das Interesse zugenommen hat, zusammen mit fortgesetzter Forschung und Investitionen, die schließlich das Quantencomputing zur Realität werden lassen und seine Anwendung in verschiedenen Sektoren ermöglichen könnten.

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