Quantencomputing einen Schritt näher an die Realität durch Nutzung harmonischer Oszillatoren

Das Rennen um Quantencomputer ist seit einigen Jahren heiß, wobei die Medikamentenentwicklung, Materialwissenschaft, Optimierung, maschinelles Lernen und Kryptografie nur einige der Bereiche sind, die durch seine Fortschritte revolutioniert werden.

Aber trotz all des Fortschritts wird der Bau von Quantencomputern, die reale Probleme lösen, durch drei große Herausforderungen zurückgehalten: 

• Fragile Quantenzustände
• Skalierung bei gleichzeitiger Kontrolle
• Erhaltung der Kohärenz

Jetzt hat ein Team der Chalmers University of Technology in Schweden einen bedeutenden Schritt unternommen, um diese Herausforderungen anzugehen und die Entwicklung praktischer Quantencomputer zu beschleunigen. Sie haben kürzlich eine neue Methode in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, um Quanteninformation mithilfe einstellbarer Nichtlinearität in supraleitenden Schaltkreisen zu manipulieren. Dies ermöglicht komplexe Operationen an mehrdimensionalen Quantenzuständen, die schneller und genauer als je zuvor durchgeführt werden können.

Praktische Quantencomputer bauen

Im Herzen des Quantencomputings steht das Quantenbit, oder Qubit, die fundamentale Einheit der Quanteninformation. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die entweder 0 oder 1 sind, können Qubits sowohl 0 als auch 1 und alles dazwischen sein. Qubits können zudem miteinander verschränkt werden, was Quantencomputern ermöglicht, bestimmte Berechnungen viel schneller als klassische Computer durchzuführen.

Allerdings war das Erreichen dieser Fähigkeit eine erhebliche Herausforderung. Eines der größten Probleme ist die Fragilität von Quantenzuständen. Qubits sind empfindlich gegenüber ihrer Umgebung und verlieren schnell ihre quantenmechanischen Eigenschaften durch Dekohärenz, was Fehler in die Quantenberechnung einführt und die Tiefe der Berechnungen begrenzt.

Ein weiteres großes Problem ist die Skalierung. Wenn mehr Qubits zu einem Quantenprozessor hinzugefügt werden, wird es schwieriger, die Wechselwirkungen zwischen ihnen zu kontrollieren und die Quanten­gatter zu implementieren. Das liegt daran, dass die Steuersysteme und das Crosstalk zwischen Qubits komplexer werden.

Und es gibt einen Zielkonflikt zwischen Kohärenz und Kontrollierbarkeit. Techniken, die Qubits kohärenter machen, wie Fehlerkorrektur‑Codes, benötigen mehr Ressourcen und schränken einige Operationen ein. Systeme, die mehr Kontrolle über einzelne Qubits bieten, wie gefangene Ionen oder supraleitende Schaltkreise, sind lauter und anfälliger für Dekohärenz.

„Stellen Sie sich ein Qubit als eine blaue Lampe vor, die quantenmechanisch gleichzeitig ein- und ausgeschaltet sein kann. Im Gegensatz dazu ist ein kontinuierliches Variablen‑Quantsystem wie ein unendlicher Regenbogen, der einen nahtlosen Farbverlauf bietet. Das veranschaulicht seine Fähigkeit, eine riesige Anzahl von Zuständen zu erreichen und damit weitaus reichere Möglichkeiten zu bieten als die beiden Zustände eines Qubits.“ 

– Axel Eriksson, Forscher für Quantentechnologie an der Chalmers University of Technology und Hauptautor der Studie

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Einstellbare Nichtlinearitäten in supraleitenden Schaltkreisen

Das Team der Chalmers University, geleitet von Dr. Axel M. Eriksson und Dr. Simone Gasparinetti, hat diese Probleme durch den Einsatz supraleitender Schaltkreise gelöst. Sie haben ein spezielles Bauelement entwickelt, das sie Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) Resonator nennen.

SNAILs sind supraleitende Schaltkreiselemente mit starker, einstellbarer Nichtlinearität. Es handelt sich um eine supraleitende Schleife mit Josephson‑Übergängen, dünnen Isolationsschichten, die Cooper‑Paare (gebundene Elektronenpaare) tunneln lassen. Durch asymmetrische Anordnung der Übergänge haben sie ein Schaltkreiselement mit nichtlinearer Induktivität geschaffen.

„Wir haben ein System entwickelt, das komplexe Operationen an einem mehrstufigen Quantensystem schneller als je zuvor ausführt.“ 

– Senior‑Autorin Dr. Simone Gasparinetti, Leiterin des 202Q‑Lab an der Chalmers University

Der entscheidende Schritt des Chalmers‑Teams war, einen SNAIL‑Resonator in einer supraleitenden Mikrowellen‑Kavität zu integrieren, die einen bosonischen Modus zur Kodierung von Quanteninformation darstellt. Sie applizierten Mikrowellen‑Impulse auf dieses hybride System und aktivierten bzw. deaktivierten die Nichtlinearität im SNAIL, um alle Arten von Quantenoperationen schnell und präzise durchzuführen.

Kontinuierliche‑Variablen‑Quantencomputing

Eine der Besonderheiten des Ansatzes des Chalmers‑Teams ist, dass er über das Qubit‑Paradigma hinausgeht und kontinuierliche‑Variablen‑(CV‑)Quantenzustände nutzt.

In einem CV‑Quantensystem wird Information in den Amplituden‑ und Phasen‑Quadraturen eines harmonischen Oszillators codiert, etwa eines Mikrowellen‑Kavitätsfeldes. Diese Quadraturen können einen kontinuierlichen Wertebereich annehmen, nicht nur 0 und 1 wie bei Qubits.

Laut Senior‑Autorin Dr. Simone Gasparinetti, Leiterin des 202Q‑Lab an der Chalmers University:

„Wir haben ein System geschaffen, das extrem komplexe Operationen an einem mehrstufigen Quantensystem mit beispielloser Geschwindigkeit ermöglicht.“ 

Der CV‑Ansatz hat Vorteile gegenüber dem diskreten‑Variablen‑Quantencomputing.

(i) Ein einzelner CV‑Modus kann die Information mehrerer Qubits kodieren, was weniger Hardware für fehlertolerantes Quantencomputing bedeutet.
(ii) Das Bewusstsein für CV‑Zustände ermöglicht bessere Fehlerkorrektur‑Codes, die für Quantencomputing mit Rauschen und Dekohärenz nötig sind.

Allerdings ist ein großes Problem im CV‑Quantencomputing die Realisierung nicht‑gaussianischer Operationen, die für universelles Quantencomputing erforderlich sind. Gaussian‑Operationen wie Verschiebung und Kompression des Oszillatorzustands können mit linearen optischen Elementen oder Mikrowellenschaltkreisen durchgeführt werden, reichen jedoch nicht für einen quantenmechanischen Geschwindigkeitsvorteil, da sie klassisch simulierbar sind.

Nicht‑gaussianische Operationen erfordern nichtlineare Wechselwirkungen, die viel schwieriger zu erzeugen und zu steuern sind. Frühere Versuche, CV‑Modi mit nichtlinearen Elementen zu kombinieren, wurden durch den Kerr‑Effekt behindert, der die Quanteninformation stört und die Operations‑Fidelity reduziert.

Das Chalmers‑Team hat dies gelöst, indem sie die Nichtlinearität im Inneren des SNAIL‑Resonators engineering. Sie betreiben den SNAIL an einem sogenannten „Kerr‑freien“ Punkt, an dem die unerwünschte Kerr‑Nichtlinearität unterdrückt wird, während die für nicht‑gaussianische Operationen benötigte Drittordnungs‑Nichtlinearität erhalten bleibt.

„Unsere Gemeinschaft hat oft versucht, supraleitende Elemente von Quantenoszillatoren fernzuhalten, um die fragilen Quantenzustände nicht zu verwirren. In dieser Arbeit haben wir dieses Paradigma herausgefordert. Indem wir ein Steuergerät im Herzen des Oszillators eingebettet haben, konnten wir das Vermischen vieler Quantenzustände vermeiden und gleichzeitig die Kontrolle und Manipulation ermöglichen. Als Ergebnis haben wir ein neuartiges Set von Gatteroperationen bei sehr hoher Geschwindigkeit demonstriert.“ 

– Simone Gasparinetti

Ein universelles Gatter-Set

Um zu zeigen, was sie können, haben sie ein universelles Gatter‑Set auf ihrer SNAIL‑Resonator‑Plattform erstellt. Das beinhaltet Gaussian‑Gatter wie Verschiebung und Kompression sowie ein kubisches Phasengatter, das nicht‑gaussianisch ist.

Die Gaussian‑Gatter wurden erzeugt, indem Mikrowellen‑Impulse mit spezifischen Frequenzen auf den SNAIL‑Schaltkreis angewendet wurden. Das Ansteuern der Grundfrequenz erzeugt eine Verschiebung, das Ansteuern der doppelten Grundfrequenz erzeugt Kompression. Das dient der Vorbereitung und Manipulation kohärenter und komprimierter Zustände, die Bausteine für die CV‑Quanteninformationsverarbeitung sind.

Das kubische Phasengatter wurde durch Kombination einer „Triskompressions‑“Interaktion (Ansteuerung mit dem Dreifachen der Grundfrequenz) mit Antrieben niedrigerer Frequenzen erzeugt. Das bewirkt eine nichtlineare Phasenverschiebung des Oszillatorzustands, die proportional zum Kubus der Amplitude ist, daher der Name „kubisches Phasengatter“.

Das kubische Phasengatter ist für universelles CV‑Quantencomputing nötig, weil es hochnichtklassische Zustände wie Gottesman‑Kitaev‑Preskill‑(GKP‑)Zustände erzeugt, die für fehlertolerante Quanten‑Fehlerkorrektur verwendet werden. Das kubische Phasengatter zusammen mit Gaussian‑Gattern erzeugt einen deterministischen nicht‑gaussianischen Zustand, den „kubischen Phasenzustand“.

Die vom Chalmers‑Team erzeugten Gatter wurden mit Pulsen von nur wenigen zehn Nanosekunden realisiert. Das ist 10‑‑100‑mal schneller als frühere Implementierungen mit dispersiven Qubit‑Oszillator‑Kopplungen. Das liegt an der starken Nichtlinearität im SNAIL‑Resonator.

Deterministische Vorbereitung des kubischen Phasenzustands

Ein weiteres Beispiel ist das Chalmers‑Team, das ihr universelles Gatter‑Set nutzt, um einen stark nicht‑klassischen Quantenzustand, den kubischen Phasenzustand, zu erzeugen. Kubische Phasenzustände werden für Quanten‑Fehlerkorrektur, Quanten‑Metrologie und CV‑messbasierte Quantencomputing benötigt.

Die Vorbereitung des kubischen Phasenzustands erfolgte durch Anwendung von Gattern auf den Grundzustand (Vakuum) des SNAIL‑Resonators. Zuerst wurde ein 20‑ns‑Kompressionsgatter angewendet, um einen komprimierten Vakuumzustand zu erzeugen. Dann wurde ein 40‑ns‑kubisches Phasengatter auf diesen komprimierten Zustand angewendet, und voilà, ein kubischer Phasenzustand mit einer Kubizität von 0,11.

Der Zustand wurde mittels Wigner‑Tomographie charakterisiert, die eine Phasen‑Raum‑Verteilung des Quantenzustands erzeugt. Die Wigner‑Funktion war stark negativ, was nicht‑klassisch ist und in keinem klassischen Oszillatorszustand zu sehen ist.

Die Treue des kubischen Phasenzustands gegenüber dem Zielzustand betrug 92 %. Sie zeigten, dass die Kubizität des Zustands durch einfaches Verlängern der Dauer des kubischen Phasengatters erhöht werden kann. Das ist deutlich besser als frühere Zustandsvorbereitungsmethoden, die für jeden Kubizitätswert eine vollständige Neuoptimierung der Steuersequenz erforderten.

Verbesserungspotenzial und zukünftige Arbeit

Obwohl das, was das Chalmers‑Team erreicht hat, bereits lobenswert ist, gibt es noch viel zu tun:

SNAIL‑Resonator

Eine Einschränkung der Quantenoperationen ist die Kohärenzzeit des SNAIL‑Resonators. Sie haben Kohärenzzeiten von einigen Mikrosekunden, was für den Moment ausreicht, aber längere Kohärenzzeiten würden komplexere und tiefere Quantenschaltungen ermöglichen. Die Optimierung der SNAIL‑Schaltkreis‑Parameter zur Reduktion von Flussrauschen sowie Abschirmung und Filterung der Mikrowellenumgebung sind Wege, die Kohärenz zu verbessern.

Dazu gehören:

• Kohärenzzeit des SNAIL‑Resonators (einige Mikrosekunden reichen momentan, längere würden komplexere Schaltungen erlauben)
• Optimierung der SNAIL‑Schaltkreis‑Parameter zur Reduktion von Flussrauschen
• Abschirmung und Filterung der Mikrowellenumgebung

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Quanten‑Emitter und Infrarot‑Laser uns beim Bau der nächsten Generation von Quantencomputern helfen können.

Skalierbarkeit

Ein weiterer Verbesserungsbereich ist die Skalierbarkeit. Das Experiment wurde mit einem einzigen SNAIL durchgeführt, doch ein groß‑skaliger Quantencomputer benötigt mehrere SNAILs. Um zu skalieren, könnte man mehrere SNAILs einsetzen, von denen jeder mit seiner eigenen Mikrowellen‑Kavität verbunden ist. Dieses Setup ermöglicht die Erzeugung von Multi‑Qubit‑Gattern und verschränkten Zuständen, indem die Kopplung zwischen den Kavitäten gestaltet wird. Das erfordert jedoch eine homogene und reproduzierbare Fertigung sowie Abstimmung der SNAILs.

• Skalierbarkeit (ein SNAIL jetzt, aber ein groß‑skaliger Quantencomputer benötigt mehrere)
• Ein Array von SNAILs, jeweils mit eigener Mikrowellen‑Kavität
• Multi‑Qubit‑Gatter und verschränkte Zustände über das Array durch Kopplung zwischen den Kavitäten
• Kontrolle über Fertigung und Abstimmung der SNAILs, um Homogenität und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten

Neben der Skalierung der Anzahl von CV‑Modi müssen wir auch die Anzahl der Photonen in jedem Modus erhöhen. Die Nichtlinearität des SNAIL‑Resonators weicht bei höheren Photonenzahlen von seinem idealen Verhalten ab, was die Größe des rechnerischen Hilbertraums begrenzt. 

Eine Möglichkeit, das zu beheben, besteht darin, ein Multi‑SNAIL‑Design zu verwenden, bei dem die Nichtlinearität jedes SNAILs so gestaltet ist, dass sie bei höheren Ordnungen gegenseitig auslöschen, während die niedergeordneten Wechselwirkungen erhalten bleiben.

Weitere plausible Fortschritte umfassen:

• Mehr CV‑Modi
• Mehr Photonen in jedem Modus
• Nichtlinearität im SNAIL‑Resonator führt bei höheren Photonenzahlen zu Abweichungen vom idealen Verhalten
• Begrenzt die Größe des rechnerischen Hilbertraums
• Multi‑SNAIL‑Design: Nichtlinearität jedes SNAILs wird bei höheren Ordnungen aufgehoben, während niedergeordnete Wechselwirkungen erhalten bleiben

Mit Blick nach vorn möchte das Chalmers‑Team ihre SNAIL‑Resonator‑Plattform mit anderen Quanten‑Computing‑Architekturen integrieren, um hybride Systeme zu schaffen. Zum Beispiel können SNAIL‑vermittelte Wechselwirkungen genutzt werden, um supraleitende Qubits und CV‑Modi zu verschränken und komplexe Multi‑Qubit‑Zustände zu erzeugen. Die schnellen und effizienten CV‑Gatter dieser Arbeit können für die Quanten‑Fehlerkorrektur auf kodierten Qubits eingesetzt werden, was robustere und skalierbare Quantenprozessoren ermöglicht.

Eine spannende Perspektive ist die Integration der SNAIL‑Resonator‑Plattform mit optischen Quantensystemen. Supraleitende Schaltkreise eignen sich gut für Quantencomputing, das bei Mikrowellenfrequenzen und kryogenen Temperaturen arbeitet. Im Gegensatz dazu funktionieren optische Quantensysteme bei Raumtemperatur und sind ideal für die langfristige Quantenkommunikation. Durch die Entwicklung eines Quanten‑Frequenz‑Konverters können wir das Beste aus beiden Welten kombinieren, um einen skalierbaren und vernetzten Quantencomputer zu schaffen.

Fazit

Was das Chalmers‑Team erreicht hat, ist ein bedeutender Fortschritt für praktische Quantencomputer. Sie haben einstellbare Nichtlinearität in supraleitenden Schaltkreisen genutzt, um einen hardware‑effizienten und kontrollierbaren Quantencomputer zu entwickeln, der komplexe Operationen an mehrdimensionalen Quantenzuständen schnell und präzise ausführen kann.

Dies stellt ein neues Paradigma im CV‑NISQ‑Computing dar. SNAIL‑Resonatoren können schwierige Probleme in der Quantenchemie, Optimierung und im maschinellen Lernen lösen. Wenn diese Technologie reift und skaliert, wird sie Anwendungen ermöglichen, die mit klassischen Computern nicht machbar sind.

Dennoch bleiben beim Bau groß‑skaliger, fehlertoleranter Quantencomputer erhebliche Herausforderungen, darunter die Kohärenzzeit supraleitender Schaltkreise, die Anzahl von Qubits und CV‑Modi sowie Schnittstellen zwischen verschiedenen Quanten‑Computing‑Plattformen.

Trotz dieser Herausforderungen hat das Quantencomputing als angewandte Wissenschaft bereits einen langen Weg zurückgelegt, und das Chalmers‑Team hat eine entscheidende Rolle dabei gespielt, seine Grenzen zu verschieben. Sie haben das Werkzeugkasten des Quantencomputings erweitert und neue Wege aufgezeigt, die Quantenmechanik zu nutzen. Jetzt sind wir einen Schritt näher an einem zugänglichen Quantencomputer.

Während Theorie und Experimente immer schneller voranschreiten, sieht die Zukunft des Quantencomputings noch nie so vielversprechend aus. Quantencomputer werden exponentielle Geschwindigkeitsvorteile für ein breites Spektrum von Rechenaufgaben in Bereichen wie Medikamentenentwicklung, Materialdesign, Kryptografie und künstlicher Intelligenz liefern. In Kombination mit Fortschritten in Technologien wie KI versichern uns diese Entwicklungen, dass die Welt am Rande transformativer Veränderungen steht, die nur schwer vollständig vorstellbar sind.

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