Verstehen von Qubits – Durchbrüche bei Teleportation und kontrollierten Interaktionen

In der Welt des Quantencomputings passiert viel. Der Chipgigant Nvidia hat eine Open-Source-Plattform CUDA-Q gestartet, um die Bemühungen im Quantencomputing zu beschleunigen, während China seinen größten Quantencomputing-Chip entwickelt hat. Außerdem gibt es Wissenschaftler an der University of Manchester, die ultra-reines Silizium entwickelt haben, das den Weg für Computer der nächsten Generation ebnet.

All diese Aufregung und Entwicklung rund um Quantencomputer ist nachvollziehbar, da die Technologie ein enormes Potenzial in verschiedenen Bereichen bietet, darunter Kryptografie, Medikamentenforschung, das Lösen komplexer Optimierungsprobleme, die Verbesserung von Algorithmen des maschinellen Lernens und vieles mehr.

Quantencomputer können dies erreichen, indem sie die Quantenphysik nutzen, also das Verhalten und die Natur von Materie und Energie auf atomarer und noch kleineren subatomaren Ebenen. Das Quantencomputing verwendet subatomare Teilchen wie Photonen und Elektronen. Qubits (Quantenbits) ermöglichen es diesen Teilchen, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren, und werden durch Steuergeräte manipuliert.

Um exponentiell höhere Geschwindigkeiten als herkömmliche Computer zu erreichen und dabei weniger Energie zu verbrauchen, nutzen Quantencomputer Superposition und Verschränkung.

Superposition bedeutet, zwei oder mehr Quantenzustände zu kombinieren, um einen weiteren gültigen Quantenzustand zu erzeugen. Die Superposition von Qubits ermöglicht es Quantencomputern, Millionen von Operationen gleichzeitig zu verarbeiten.

Verschränkung tritt auf, wenn zwei Systeme miteinander verbunden sind, sodass das Wissen um den Zustand des einen sofort Aufschluss über den Zustand des anderen gibt. Dies ermöglicht Quantencomputern, komplexe Probleme schnell zu lösen.

Das Problem hierbei ist die Dekohärenz, also der Verlust des Quantenzustands eines Qubits durch Faktoren wie Strahlung, Vibration oder Temperaturänderungen. Dies verursacht Fehler beim Rechnen. Um Qubits vor Störungen zu schützen, werden sie in Vakuumkammern, Isolierungen und stark gekühlten Kühlschränken untergebracht.

Wie wir gesehen haben, spielen Qubits eine entscheidende Rolle beim Aufbau von Quantencomputern, aber nicht alles über sie ist bekannt. Dennoch haben zwei kürzlich durchgeführte unabhängige Experimente unser Verständnis von Qubits erweitert und markieren einen wichtigen Schritt hin zu einem funktionalen Quantencomputer.

Quanten-Teleportation erreicht

Neue Forschung hat erfolgreich Quanten-Teleportation erreicht, trotz des gesamten Rauschens, das normalerweise die Übertragung des Quantenzustands stört. Bei der Teleportation wird ein Qubit von einem Ort zum anderen übertragen, ohne das Teilchen selbst zu senden.

Theoretisch kann die Übertragung des Quantenzustands ohne Probleme durchgeführt werden, aber in der realen Welt verschlechtern Störungen und Rauschen die Qualität der Quanten-Teleportation. Daher fanden die Forscher in der neuesten Studie, dass das Erreichen einer perfekten Quanten-Teleportation trotz des Rauschens eine große Leistung ist.

Veröffentlicht in der Zeitschrift Science Advances, diskutiert die Studie, wie Verschränkung und Dekohärenz Gegenkräfte vieler Quantenprotokolle und -technologien darstellen.

Laut der Forschung ist die Quantenverschränkung, die in Korrelationen über beliebig lange Distanzen auftritt, für die Grundlagen der Quantenmechanik von großer Bedeutung. Sie hat viele Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Kommunikation. Allerdings sind Wechselwirkungen zwischen einem Quantensystem und seiner Umgebung unvermeidlich, und Dekohärenz kann die Leistung dieser Anwendungen stark beeinträchtigen.

Obwohl es viele vielversprechende Protokolle zur Unterdrückung von Dekohärenz gibt, bei denen aktuelle Arbeiten dekohärenzfreie Teilräume, dynamische Entkopplung, Quanten-Fehlerkorrekturcodes, verzögertes kohärentes Quanten-Feedback und Reservoir-Engineering mit Hilfssubsystemen ausnutzen, ist das Vermeiden von Dekohärenz in der Praxis äußerst anspruchsvoll.

Daher schlug die Studie ein effizientes Protokoll für Quanten-Teleportation bei vollständiger Dekohärenz vor.

Die von Forschern der University of Science and Technology of China in Hefei und der University of Turku in Finnland durchgeführte Studie nutzte multipartite hybride Verschränkung zwischen den Hilfs-Qubits und ihren lokalen Umgebungen im Kontext offener Quantensysteme, was eine hohe Genauigkeit ermöglichte.

Laut den Forschern ist lineare Optik eine besonders robuste Plattform für die Durchführung verschiedener Quanteninformationsprotokolle und das Studium von Problemen mit Dekohärenz.

Die Arbeit in dieser Studie nutzt laut Jyrki Piilo, Professor an der University of Turku, das Konzept der verteilten Verschränkung. Diese Verschränkungsverteilung geht über die verwendeten Qubits hinaus und wird vor dem Betrieb des Protokolls durchgeführt. Das bedeutet, „die hybride Verschränkung zwischen verschiedenen physikalischen Freiheitsgraden auszunutzen“, sagte Piilo.

Traditionell wurde die Photonpolarisation verwendet, um Qubits bei der Teleportation zu verschränken. Der neue Ansatz nutzt jedoch die hybride Verschränkung zwischen Photonpolarisation und Frequenz.

Dies bewirkt eine große Veränderung darin, wie Rauschen das Protokoll beeinflusst. Die Entdeckung kehrt tatsächlich die Rolle des Rauschens um, von schädlich zu nützlich für die Teleportation“, erklärte Piilo.

Traditionell funktioniert das Teleportationsprotokoll nicht, wenn nicht nur Rauschen während der Qubit-Verschränkung vorhanden ist, sondern auch, wenn zu Beginn hybride Verschränkung ohne jegliches Rauschen existiert. Im Gegensatz dazu führt die Kombination aus hybrider Verschränkung und anschließendem Rauschen dazu, dass sowohl die Teleportation als auch die Übertragung des Quantenzustands nahezu perfekt ablaufen.

Auf diese Weise ermöglicht die neueste Entdeckung nahezu ideale Teleportation trotz des mit Photonen verbundenen Rauschens.

Die Forscher bezeichnen dies als ein „signifikantes Proof-of-Principle‑Experiment“, wobei Dr. Zhao‑Di Liu von der University of Science and Technology of China in Hefei feststellt:

“Während wir zahlreiche Experimente zu verschiedenen Aspekten der Quantenphysik mit Photonen in unserem Labor durchgeführt haben, war es sehr aufregend und lohnend, dieses äußerst anspruchsvolle Teleportationsexperiment erfolgreich abgeschlossen zu sehen.”

Die Studie stellte fest, dass neben der Bekämpfung von Dekohärenz die hybride Verschränkung ihnen auch eine weitere Sicherheitsebene gebracht hat. Die Studie sagte:

“Es wäre ein interessanter Ansatz für zukünftige Forschung, zu untersuchen, wie tief die teleportierten Informationen verborgen werden können.”

Dies ist erst der Anfang, wobei die Studie von grundlegender Bedeutung ist, um neue Wege für zukünftige Arbeiten an Quantenprotokollen zu eröffnen, indem sie als Basisforschung dient. Eine Möglichkeit, die Technik anzuwenden, besteht im Zustandsübertrag außerhalb der Quanten‑Teleportation und jenseits dekohärenzfreier Teilräume.

Die Forschung eröffnet zudem die Möglichkeit zu untersuchen, ob Dekohärenz in anderen physikalischen Plattformen, einschließlich verschiedener Rauschquellen, umgekehrt werden kann.

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Realisation eines Zwei‑Qubit‑Gatters in einem herkömmlichen Silizium‑Transistor

Die andere Studie, die von Forschern der ältesten Universität der Schweiz, der Universität Basel, in Zusammenarbeit mit denen des Nationalen Zentrums für Kompetenz in der Forschung (NCCR) SPIN, durchgeführt wurde, erzielte einen Durchbruch, indem sie eine kontrollierbare Wechselwirkung zwischen zwei Loch‑Spin‑Qubits in einem herkömmlichen Silizium‑Transistor herstellte.

Veröffentlicht in Nature, stellte die Studie, die offene Fördermittel der Universität Basel erhielt, fest, dass Halbleiter‑Spin‑Qubits das Potenzial bieten, industrielle Transistortechnologie zur Herstellung großskaliger Quantencomputer zu nutzen.

Damit ein Quantencomputer Berechnungen durchführen kann, benötigt er „Quanten‑Gates“, also Operationen, die die Qubits manipulieren und miteinander koppeln. Die Forscher der neuesten Studie konnten nicht nur zwei Qubits koppeln, sondern auch ein kontrolliertes Umdrehen eines ihrer Spins bewirken, das vom Spin‑Zustand des anderen abhängt. Die Kopplung beruht auf der Austausch‑Interaktion der beiden Spin‑Qubits.

“Loch‑Spins ermöglichen es uns, Zwei‑Qubit‑Gatter zu erzeugen, die sowohl schnell als auch hoch‑fidel sind. Dieses Prinzip macht es nun auch möglich, eine größere Anzahl von Qubit‑Paaren zu koppeln.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Forscher haben bereits vor einigen Jahren gezeigt, dass die Loch‑Spins in einem bestehenden elektronischen Gerät gefangen und als Qubits verwendet werden können. Jetzt führte Kuhlmann dieses Team von Basler Physikern zum Erfolg, indem er eine Interaktion zwischen zwei Qubits realisierte, die kontrollierbar ist.

Obwohl die betreffenden Qubits davon profitieren, elektrisch steuerbar zu sein und Sweet‑Spots zu besitzen, die Ladung und Rauschen neutralisieren, war die Demonstration einer Zwei‑Qubit‑Interaktion herausfordernd.

Ein fehlender Faktor, so die Studie, war das Verständnis der Austausch‑Kopplung während einer starken Spin‑Orbit‑Wechselwirkung. Um dies zu adressieren, untersuchten die Wissenschaftler zwei Loch‑Spin‑Qubits in einem Silizium‑„FinFET“ bzw. Fin‑Feldeffekt‑Transistor. Spin‑Orbit‑Kopplung bedeutet, dass der Spin‑Zustand eines Lochs durch seine Bewegung im Raum beeinflusst wird.

Halbleiter‑Quanten‑Dot‑(QD‑)Spin‑Qubits werden als am besten geeignet für zukünftige Implementierungen großskaliger Quanten‑Schaltungen angesehen. Selbst der fortschrittlichste spinbasierte Quantenprozessor ermöglicht derzeit die universelle Steuerung von sechs Elektron‑Spin‑Qubits in Silizium (Si). Dem folgt eng eine Demonstration von vier Qubits mit Löchern in Germanium.

Für die Studie nutzten die Forscher ein Qubit, das den Spin eines Elektrons oder eines Lochs verwendet. Sowohl Elektronen als auch Löcher besitzen einen Spin und nehmen entweder den Auf‑ oder Ab‑Zustand an.

Im Vergleich zu Elektron‑Spins können Loch‑Spins vollständig elektrisch gesteuert werden, ohne dass orbitaler Degeneration oder zusätzliche Komponenten wie On‑Chip‑Mikromagnete erforderlich sind, die die Komplexität erhöhen. Dies liegt an ihrer intrinsischen Spin‑Orbit‑Wechselwirkung (SOI). Löcher profitieren zudem von einer reduzierten hyperfeinen Wechselwirkung und dem Fehlen eines Valleys.

Damit demonstriert die Studie die Fähigkeit, den Austausch elektrisch zu steuern und einen bedingten Spin‑Flip in 24 ns durchzuführen. Der Austausch‑Hamiltonian hat nicht mehr die Heisenberg‑Form und kann so gestaltet werden, dass Zwei‑Qubit‑kontrollierte Rotationsgatter ermöglicht werden, ohne Geschwindigkeit für Genauigkeit oder umgekehrt zu opfern. Laut der Forschung:

“Dieses ideale Verhalten gilt über einen weiten Bereich von Magnetfeld‑Orientierungen hinweg, wodurch das Konzept robust gegenüber Variationen von Qubit zu Qubit ist, was darauf hinweist, dass es ein geeigneter Ansatz zur Realisierung eines großskaligen Quantencomputers ist.”

Diese Studie deutet auf das Potenzial hin, Millionen von Loch‑Spin‑Qubits auf nur einem Chip anzuordnen. Ihr Ansatz zeigt ebenfalls große Möglichkeiten für die Entwicklung eines großskaligen Quantencomputers.

Zukünftige Verbesserungen in der Geräte­fertigung sind erforderlich, um die Variabilität zu reduzieren. In Kombination mit robusten kontrollierten Rotations‑(CROT‑)Sweet‑Spots werden diese Fortschritte „Zwei‑Qubit‑Gate‑Operationen mit anisotroper Austausch für großskalige Qubit‑Arrays äußerst attraktiv machen“.

Die Fortschritte der Forschung, kombiniert mit schneller Auslesung und Betrieb über 1 K, können es ermöglichen, dass FinFET als universeller Quantenprozessor auf einem Chip eingesetzt wird, der in klassischer Steuer‑Elektronik verwendet wird.

Unternehmen, die an der Entwicklung von Quantencomputern beteiligt sind

Werfen wir nun einen Blick auf Unternehmen, die aktiv an Quantencomputern arbeiten:

#1. IBM

IBM führt seit vielen Jahren die Quantencomputing‑Forschung an und entwickelte das IBM Q System One, den ersten schaltungsbasierten kommerziellen Quantencomputer. Das Unternehmen bietet über die IBM Quantum Experience‑Plattform Zugang zu seinen Quantensystemen.

Anfang dieses Monats stellte IBM seinen Quantenprozessor Condor mit über 1.000 Qubits und den nutzungs‑skaligen Prozessor IBM Quantum Heron mit 133 Qubits vor. Außerdem kündigte es die Einführung eines modularen Quantencomputers, Quantum System Two, an. Gleichzeitig will IBM über den Software‑Stack Qiskit die Entwicklung von Quantencomputing breit zugänglich machen.

In diesem Jahr kündigte das japanische nationale Forschungsinstitut RIKEN an, dass es IBMs Quantenprozessor und Quantencomputer‑Architektur zur Integration mit dem Supercomputer Fugaku einsetzen wird.

Die aktuelle Forschung des Unternehmens in diesem Bereich umfasst:

• Hochschwelliger und ressourcenschonender fehlertoleranter Quanten‑Speicher.
• Kodierung eines Magic‑State mit über dem Break‑Even‑Fidelity.
• Simulation großer Quanten‑Spin‑Ketten auf cloud‑basierten supraleitenden Quantencomputern.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels werden die Aktien des Unternehmens bei 167,36 $ gehandelt, ein Anstieg von 2,33 % im Jahresverlauf, während die Marktkapitalisierung 153,73 Mrd. $ beträgt. IBM hat einen Umsatz (TTM) von 62,07 Mrd. $, ein EPS (TTM) von 9,19 und ein KGV (TTM) von 18,22 gemeldet. Die Dividendenrendite beträgt 3,99 %.

Im Rahmen seiner jüngsten Finanzberichterstattung für das 1. Quartal 2024 verzeichnete IBM einen Umsatzanstieg von 1,5 % gegenüber dem Vorjahr im Quartal auf 14,5 Mrd. $ und einen freien Cashflow von 1,9 Mrd. $. Das Unternehmen betont, dass das „solide Umsatz‑ und freier‑Cashflow‑Wachstum“ die Stärke seiner Cloud‑ und KI‑Strategie widerspiegelt.

#2. Google 

Im Bereich des Quantencomputings macht Google mit seinem Quantum‑AI‑Labor Fortschritte, das sowohl an Hardware als auch an Software arbeitet. Vor einigen Jahren brachte die Sparte den Sycamore‑Prozessor mit 53 Qubits auf den Markt. Derzeit konzentriert sich die Hardware des Technologieriesen auf supraleitende Qubits, während sein fortschrittlicher Software‑Stack die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings erforscht.

Vor ein paar Monaten startete Google einen mehrjährigen, globalen Wettbewerb, um reale Anwendungsfälle für Quantencomputing zu finden, mit einem Preis von 5 Millionen $, der unter den Finalisten aufgeteilt wird. Google bemerkte im März:

“Obwohl es viele Gründe gibt, optimistisch hinsichtlich des Potenzials des Quantencomputings zu sein, sind wir noch immer teilweise im Dunkeln über das gesamte Ausmaß, wie, wann und für welche realen Probleme diese Technologie am transformativsten sein wird.”

Die jüngste Forschung des Unternehmens in diesem Bereich umfasst die Unterdrückung von Quantenfehlern durch Skalierung eines Surface‑Code‑Logik‑Qubits, Phasenübergänge beim zufälligen Schaltkreis‑Sampling sowie messungsinduzierte Verschränkung und Teleportation auf einem rauschbehafteten Quantenprozessor.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels werden die Aktien des Unternehmens bei 107,48 $ gehandelt, ein Anstieg von 21,94 % im Jahresverlauf, während die Marktkapitalisierung 2,12 Billionen $ beträgt. Google hat einen Umsatz (TTM) von 218,14 Mrd. $ gemeldet, ein EPS (TTM) von 6,52 und ein KGV (TTM) von 26/13. Die Dividendenrendite beträgt 0,47 %.

Für das 1. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatzsprung von 13 % auf 86,3 Mrd. $, einen Nettogewinn von 20,28 Mrd. $ und die erste Dividende von 20 $ pro Aktie. Im Frühjahr 2024 erreichte seine Marktkapitalisierung einen neuen Meilenstein von 2 Billionen $, wodurch es das viertwertvollste börsennotierte Unternehmen der Welt wurde.

Fazit

Es gibt ein Wettrennen, einen funktionalen Quantencomputer zu bauen, wobei Forscher darauf fokussiert sind, Qubits zu verstehen und mit verschiedenen Qubit‑Technologien zu arbeiten. Qubits bilden die Grundlage des Quantencomputers, da sie sämtliche Verarbeitung, Übertragung und Speicherung von Daten übernehmen. Daher konzentriert sich die gesamte Forschung auf Qubits, einschließlich der beiden hier vorgestellten neuesten Entwicklungen, die darauf abzielen, den Bau eines praktischen Quantencomputers zu unterstützen.

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