Schallwellen bieten Durchbruch bei der Speicherung von Quanteninformationen

Quantencomputing verspricht beispiellose Geschwindigkeit bei der Lösung komplexer Probleme und treibt Durchbrüche in den Bereichen KI, Finanzen, Logistik, Materialwissenschaft, Wirkstoffforschung und Kryptographie voran.

Doch obwohl das Potenzial der Technologie enorm ist, ist die Realisierung nicht einfach, da sich in der Praxis gezeigt hat, dass es äußerst schwierig ist, Quantencomputer zum Laufen zu bringen und sie zur Lösung realer Probleme zu nutzen.

Quantencomputing ist noch eine experimentelle Technologie, wobei Forscher arbeiten an der Überwindung der Hindernisse um genaue Simulationen von quantenmechanischen Phänomenen durchzuführen. Ein Hauptproblem dabei ist die Speicherung von Informationen für eine lange Zeit.

Dies liegt daran, dass supraleitende Qubits zwar große Fähigkeiten zur Verarbeitung quantenmechanischer Informationen besitzen, sie jedoch relativ kurze Kohärenzzeiten haben.

Kohärenz ist die Fähigkeit eines Quantensystems, die Beziehung zwischen verschiedenen Zuständen in einer Superposition aufrechtzuerhalten. Diese grundlegende Eigenschaft ermöglicht es Qubits, in einer linearen Kombination von Basiszuständen zu existieren, wodurch Parallelität und Interferenz ermöglicht werden, die das Kernprinzip des Quantencomputings darstellen. 

Für die Durchführung von Quantenoperationen unerlässlich, ist die Kohärenz jedoch recht fragil und kann leicht verloren gehen durch selbst kleine Wechselwirkungen mit der Umgebung.

Fehlt die Kohärenz, geht das Quantenverhalten des Qubits verloren, wodurch Quantenberechnungen sinnlos werden. Gleichzeitig ist Dekohärenz der Prozess, bei dem die Kohärenz verloren geht, und bleibt eine große Herausforderung beim Bau und Betrieb von Quantencomputern.

Heute sind supraleitende Qubits ein physikalischer Weg, Qubits zu realisieren, und sie beruhen darauf, die Quantenkohärenz aufrechtzuerhalten, um zu funktionieren. Aber natürlich bleibt die Dekohärenz ihre größte Herausforderung.

Supraleitende Qubits sind winzige Schaltkreise aus spezifischen Materialien, die quantenmechanische Phänomene wie Superposition und Verschränkung ausnutzen, um Berechnungen durchzuführen. Die Materialien, die zur Herstellung eines Schaltkreises verwendet werden, werden fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt, um sie supraleitend zu machen, was bedeutet, dass sie Strom ohne Widerstand leiten können.

Obwohl diese supraleitenden Qubits bei schnellen Berechnungen bemerkenswert sind, haben sie Schwierigkeiten, Informationen über längere Zeiträume zu speichern.

Eine Schnittstelle zwischen Photonen und Phononen könnte jedoch ermöglichen, dass Quanteninformation gespeichert wird in langlebigen mechanischen Oszillatoren. Ein Team am Caltech hat genau das umgesetzt; sie haben eine Plattform eingeführt, die von elektrostatischen Kräften in nanoskaligen Strukturen abhängt, um eine starke Kopplung zwischen einem Qubit und einem nanomechanischen Oszillator zu erreichen.

Die Energiezerfallszeit (T1) beträgt etwa 25 ms, was die in integrierten supraleitenden Schaltkreisen erreichten Werte übertrifft.

Um die Ursachen der Dekohärenz zu untersuchen und ihre Auswirkungen zu verringern, nutzte das Team Quantenoperationen. Der Einsatz von Zwei‑Puls‑Dynamik‑Entkopplungssequenzen half ihnen, eine längere Kohärenzzeit (T2) von 1 ms zu erreichen, eine Steigerung gegenüber 64 µs.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass in supraleitenden Geräten mechanische Oszillatoren als Quanten‑Speicher dienen können, mit dem Potenzial zu nutzen in Quantencomputing, Sensorik und Transduktion.

Wie Schallwellen Quantenzustände länger speichern

Konventionelle Computer wie Laptops und Handys speichern Informationen in Form von Bits.

Bits sind die kleinste Einheit digitaler Information, grundlegende Logikelemente, die entweder den binären Wert Null oder Eins annehmen.

Quantencomputer hingegen können einen Zustand besitzen, der gleichzeitig Null und Eins ist, was als Superposition bezeichnet wird, und das ist die Grundlage für das Versprechen des Quantencomputings, Probleme zu lösen, die für klassische Computer nicht handhabbar sind.

Viele bestehende Quantencomputer basieren auf supraleitenden elektronischen Systemen, bei denen Elektronen bei extrem niedrigen Temperaturen ohne Widerstand fließen. In diesen Systemen erzeugen die quantenmechanischen Eigenschaften der Elektronen in Resonatoren supraleitende Qubits.

Diese Qubits sind hervorragend bei der Durchführung der für das Rechnen erforderlichen logischen Operationen. Aber sie sind nicht wirklich gut darin, Informationen zu speichern, die repräsentiert werden durch mathematische Beschreibungen spezifischer Quantensysteme. 

Um die Speicherzeiten von Quantenzuständen zu erhöhen, haben Ingenieure nach dem Bau von ‘Quanten‑Speichern’ für supraleitende Qubits gesucht.

Ein Team von Wissenschaftlern des Caltech hat für diese Quanten‑Speicher einen hybriden Ansatz gewählt. 

Elektrische Informationen wurden mit diesem Ansatz effektiv in Schall umgewandelt. Um Quanteninformation in Schallwellen zu übersetzen, nutzten sie ein winziges Gerät, das wie eine Miniatur‑Stimmgabel funktioniert.

Dies ermöglichte es, die Lebensdauer von Quantenzuständen um das bis zu dreißig‑fache im Vergleich zu anderen Techniken zu verlängern und legte die Grundlage für skalierbare, praktische Quantencomputer mit der Fähigkeit nicht nur zu berechnen, sondern auch zu speichern.

“Sobald Sie einen Quantenzustand haben, möchten Sie vielleicht nicht sofort etwas damit tun. Sie benötigen eine Möglichkeit, zu ihm zurückzukehren, wenn Sie eine logische Operation durchführen wollen. Dafür benötigen Sie einen Quanten‑Speicher.”

– Mohammad Mirhosseini, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Angewandte Physik am Caltech

Unterstützt durch Fördermittel der National Science Foundation und des Air Force Office of Scientific Research, wurde die Studie von den Caltech‑Promotionsstudenten Alkim Bozkurt und Omid Golami geleitet und wurde veröffentlicht¹ in der Zeitschrift Nature Physics.

Sie beschrieb die Fertigung eines supraleitenden Qubits auf einem Chip, das anschließend an ein winziges Gerät, einen mechanischen Oszillator, angeschlossen wurde.

Ein mechanischer Oszillator ist ein System, das Schwingungsbewegungen zeigt. Er ist im Wesentlichen eine Mini‑Stimmgabel, die in diesem Studium aus flexiblen Platten besteht. Diese Platten werden mit Schallwellen bei Gigahertz‑Frequenzen (GHz) zum Schwingen gebracht.

Als das Team eine elektrische Ladung auf diese flexiblen Platten legte, konnten sie mit elektrischen Signalen interagieren, die Quanteninformation transportierten, sodass diese in das Gerät als „Speicher“ übertragen und später wieder ausgelesen („erinnert“) werden konnte.

Die Forscher maßen genau, wie lange es dauerte, bis der Oszillator seinen Quanteninhalt verlor, nachdem die Information in das Gerät eingeleitet wurde. 

“Es stellt sich heraus, dass diese Oszillatoren eine Lebensdauer von etwa dem 30‑fachen der besten supraleitenden Qubits besitzen.”

– Mirhosseini

Diese Methode zum Bau eines Quanten‑Speichers bietet verschiedene Vorteile gegenüber anderen Techniken. Akustische Wellen beispielsweise breiten sich viel langsamer aus als elektromagnetische Wellen, wodurch kompaktere Geräte ermöglicht werden.

Elektromagnetische (EM) Wellen sind transversale Wellen oszillierender elektrischer und magnetischer Felder, die Energie durch den Raum transportieren. Sie entstehen durch die Beschleunigung geladener Teilchen und umfassen ein Spektrum, das Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen einschließt. 

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Alle EM‑Wellen reisen mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und benötigen kein Medium zur Ausbreitung.

Währenddessen sind akustische Wellen mechanische Wellen, wie Schallwellen, die Energie durch ein Medium wie Feststoff, Flüssigkeit oder Gas übertragen, indem sie die Teilchen des Mediums zum Schwingen, Komprimieren und Ausdehnen bringen. Diese Wellen werden charakterisiert durch Eigenschaften wie Frequenz, Amplitude und Wellenlänge. Akustische Wellen umfassen ein Frequenzspektrum, einschließlich Infraschall und Ultraschall.

Da mechanische Vibrationen, im Gegensatz zu EM‑Wellen, nicht im freien Raum propagieren, entweicht die Energie nicht aus dem System und kann stärker innerhalb eines Mediums eingeschlossen werden, was längere Speicherzeiten ermöglicht und unerwünschten Energieaustausch zwischen benachbarten Geräten mindert.

Diese Vorteile bieten die Möglichkeit, viele solcher Stimmgabeln auf einem einzigen Chip zu integrieren, was einen skalierbaren Weg zu Quanten‑Speichern ermöglicht.

Die Studie zeigt laut Mirhosseini minimale Wechselwirkung zwischen akustischen und elektromagnetischen Wellen erforderlich, um den Wert dieses hybriden Systems als Speicherelement zu untersuchen. 

“Damit diese Plattform für das Quantencomputing wirklich nützlich ist, muss man in der Lage sein, Quantendaten schnell in das System einzuspeisen und wieder herauszuholen. Und das bedeutet, dass wir Wege finden müssen, die Interaktionsrate um das Drei‑ bis Zehn‑fache über das hinaus zu erhöhen, was unser aktuelles System ermöglicht,” sagte Mirhosseini. Und das Team hat Ideen wie man das erreichen kann.

Quanten‑Hardware und -Software: Weg zur kommerziellen Nutzung

Das neue Gerät, das von Caltech‑Wissenschaftlern entwickelt wurde, ist bereits seit einiger Zeit in Arbeit.

Vor ein paar Jahren zeigten sie in ihrer vorherigen Arbeit, dass Schall, insbesondere Phononen, die einzelnen Teilchen der Vibration, ähnlich wie Photonen, eine einfache Möglichkeit zur Speicherung von Quanteninformation bieten könnten.

Zu dieser Zeit zeigte Mirhosseinis Gruppe die neue Methode im Labor, wo sie Phononen aufgrund der relativen Praktikabilität des Baus kleiner Geräte, die diese mechanischen Wellen speichern können, erforschten.

Das Team testete Geräte in Experimenten, die sich als geeignet für die Kombination mit supraleitenden Qubits erwiesen, da sie bei denselben sehr hohen GHz‑Frequenzen arbeiten.

Menschen hören im Hertz‑ bis Kilohertz‑Bereich (bis ca. 20 kHz), während die Geräte bei Gigahertz (Milliarden Zyklen pro Sekunde) arbeiten – etwa 50.000‑mal höhere Frequenz.

Die getesteten Geräte hatten zudem lange Lebenszeiten und funktionierten gut bei den niedrigen Temperaturen, die erforderlich sind, um Quantenzustände mit supraleitenden Qubits zu erhalten.

Wie Mirhosseini damals bemerkte, haben andere Studien Piezoelektrika, eine spezielle Materialart, als Möglichkeit untersucht, mechanische Energie in elektrische Energie für Quantenanwendungen umzuwandeln. Er fügte hinzu:

“Diese Materialien neigen jedoch dazu, Energieverluste für elektrische und Schallwellen zu verursachen, und Verlust ist ein großer Killer in der Quantenwelt.”

Die neuartige Technik, die vom Caltech‑Team entwickelt wurde, hingegen beruht nicht auf den Eigenschaften bestimmter Materialien und ist daher mit etablierten mikrowellenbasierten Quanten­geräten kompatibel.

Der Bau effektiver Speichervorrichtungen in kompakter Größe ist eine weitere Herausforderung für diejenigen, die Quantenanwendungen erforschen.

Diese Herausforderung wird ebenfalls durch die neue Methode adressiert, die “die Speicherung von Quanteninformation aus elektrischen Schaltkreisen für Zeiträume, die um zwei Größenordnungen länger sind als bei anderen kompakten mechanischen Geräten, ermöglicht,” sagte der leitende Studienautor Bozkurt, ein Promotionsstudent in Mirhosseinis Gruppe.

Obwohl die Schallwellen‑Plattform von Caltech vielversprechend ist, ist sie nur ein Teil einer viel größeren Forschungsanstrengung, die weltweit an verschiedenen Institutionen läuft. Wissenschaftler testen verschiedene Methoden, um die Herausforderungen von Quantencomputern zu überwinden. 

Zum Beispiel haben Forscher der University of Southern California Mathematik eingesetzt².

Sie verwenden Neglectons, um einige der Probleme mit topologischen Qubits zu lösen. Diese Klasse theoretischer Teilchen, die so genannt werden, weil sie aus übersehenen theoretischen Mathematik abgeleitet wurden, könnte einen neuen Weg zur experimentellen Realisierung universeller topologischer Quantencomputer eröffnen.

“Mein Ziel ist es, anderen Forschern ein möglichst überzeugendes Argument zu liefern, dass das nicht-semisimple Framework nicht nur gültig, sondern ein spannender Ansatz zum besseren Verständnis der Quantentheorie ist.”

– Mitautor Aaron Lauda

In einem anderen Ansatz steuern Wissenschaftler gleichzeitig das von Quantenpunkten emittierte Licht, was zu billigeren, schnelleren und natürlich praktischeren Quantentechnologien führen kann.

Dafür hat die Forschungskooperation eine neue Methode gefunden³, die auf stimulierter Zwei‑Photon‑Anregung beruht und Quantenpunkte ermöglicht, Photonströme in unterschiedlichen Polarisationszuständen zu emittieren, ohne elektronische Schalthardware zu benötigen. Bei Tests konnten die Forscher erfolgreich ausgezeichnete Zwei‑Photon‑Zustände erzeugen, während sie die bemerkenswerten Einzel‑Photon‑Eigenschaften beibehielten.

“Was diesen Ansatz besonders elegant macht, ist, dass wir die Komplexität von teuren, verlustbehafteten elektronischen Komponenten nach der Einzel‑Photon‑Emission in die optische Anregungsphase verlagert haben, und das ist ein bedeutender Schritt nach vorn, um Quantenpunkt‑Quellen für reale Anwendungen praktischer zu machen.”

– Leitender Forscher, Vikas Remesh

Dann gibt es das Team des Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana‑Champaign, das ein Hochleistungs‑Moduldesign⁴ für supraleitende Quantenprozessoren mit etwa 99 % Treue präsentiert hat. 

Die modulare Architektur bietet im Gegensatz zu den restriktiven monolithischen Designs eine höhere Skalierbarkeit, einfachere Verbesserungen und Widerstandsfähigkeit gegenüber Inkonsistenzen.

Während die meisten Bemühungen eindeutig weiterhin den Hardware‑Teil von Quantencomputern fokussieren, ist nun ein Wandel hin zur Software zu beobachten, da die Menschen glauben, die Technologie sei \”am Rande der kommerziellen Nutzbarkeit,\” und daher etwas Nützliches damit getan werden müsse.

In diesem Zusammenhang hat das Unternehmen für Quanten‑Algorithmen Phasecraft 34 Millionen Dollar von mehreren Geldgebern eingesammelt, darunter das Investmentunternehmen, das mit dem dänischen Pharmariesen Novo Nordisk (NVO ) gesammelt hat. 

Phasecrafts Algorithmen, ihr CEO Ashley Montanaro, glaubt, dass sie bis \”nächstes Frühjahr\” \”wissenschaftlich wichtige\” Berechnungen durchführen können und dass einige kommerziell nützliche Anwendungen \”innerhalb der nächsten paar Jahre\” verfügbar sein könnten.

Es gibt jetzt ein wachsendes Interesse an Algorithmen. Kürzlich behauptete ein Forscher bei Google, er habe eine 20‑fache Reduktion des erforderlichen Quantencomputer‑Umfangs für die Ausführung von Shors Algorithmus entwickelt, der zur Entschlüsselung der heute am häufigsten genutzten Verschlüsselungsformen verwendet werden kann. 

Als Reaktion darauf hat Entwickler Hunter Beast BIP 360 eingeführt in dem Versuch, Bitcoin (BTC) quantencomputing‑resistent zu machen.

Unterdessen hat das Quantencomputing‑Unternehmen Norma die Leistung seiner Quanten‑KI‑Algorithmen für die Wirkstoffentwicklung mit NVIDIA (NVDA ) CUDA‑Q validiert und dabei Rechengeschwindigkeiten von etwa dem 73‑fachen beobachtet.

Investieren in Quantencomputing

Viele große Namen forschen im Bereich supraleitendes Quantencomputing, darunter IBM (IBM ), Intel (INTC ), und viele weitere. Heute schauen wir uns jedoch Honeywell International (HON ) an, das durch seine Mehrheitsbeteiligung an Quantinuum stark im Quantencomputing engagiert ist. 

Quantinuum, ein Honeywell International (HON ) Unternehmen

Quantinuum ist ein Quantencomputing‑Unternehmen, das 2021 durch die Fusion von Cambridge Quantum und <a class="editor-rtfLink"