Qubits entfesselt: NISTs „Kippschalter“ und die Zukunft des Quantencomputings

Vom National Institute of Standards and Technology (NIST), 17. August 2023

Wissenschaftler am NIST haben ein „Kippschalter“-Gerät für Quantencomputer eingeführt, das die Verbindungen zwischen Qubits und einem Ausleseresonator anpasst. Das Gerät bewältigt Herausforderungen wie Rauschen und Einschränkungen bei der Neuprogrammierung und ebnet den Weg für flexibleres und genaueres Quantencomputing.

Das neuartige Gerät könnte zu vielseitigeren Quantenprozessoren mit klareren Ausgängen führen.

Was nützt ein leistungsstarker Computer, wenn Sie seine Ausgabe nicht lesen können? Oder es einfach umprogrammieren, um andere Aufgaben zu erledigen? Menschen, die Quantencomputer entwickeln, stehen vor diesen Herausforderungen, und ein neues Gerät könnte sie leichter lösen.

Das von einem Team von Wissenschaftlern am National Institute of Standards and Technology (NIST) eingeführte Gerät umfasst zwei supraleitende Quantenbits oder Qubits, die das Analogon eines Quantencomputers zu den Logikbits im Verarbeitungschip eines klassischen Computers darstellen. Das Herzstück dieser neuen Strategie basiert auf einem „Kippschalter“-Gerät, das die Qubits mit einer Schaltung namens „Ausleseresonator“ verbindet, die die Ausgabe der Berechnungen der Qubits lesen kann.

Dieser Kippschalter kann in verschiedene Zustände umgelegt werden, um die Stärke der Verbindungen zwischen den Qubits und dem Ausleseresonator anzupassen. Im ausgeschalteten Zustand sind alle drei Elemente voneinander isoliert. Wenn der Schalter umgelegt wird, um die beiden Qubits zu verbinden, können sie interagieren und Berechnungen durchführen. Sobald die Berechnungen abgeschlossen sind, kann der Kippschalter eines der Qubits und den Ausleseresonator verbinden, um die Ergebnisse abzurufen.

Ein programmierbarer Kippschalter trägt erheblich zur Reduzierung von Rauschen bei, einem häufigen Problem in Quantencomputerschaltungen, das es Qubits erschwert, Berechnungen durchzuführen und ihre Ergebnisse klar darzustellen.

Dieses Foto zeigt den zentralen Arbeitsbereich des Geräts. Im unteren Bereich stellen die drei großen Rechtecke (hellblau) rechts und links die beiden Quantenbits oder Qubits sowie den Resonator in der Mitte dar. Im oberen, vergrößerten Abschnitt induziert das Treiben von Mikrowellen durch die Antenne (großes dunkelblaues Rechteck unten) ein Magnetfeld in der SQUID-Schleife (kleineres weißes Quadrat in der Mitte, dessen Seiten etwa 20 Mikrometer lang sind). Das Magnetfeld aktiviert den Kippschalter. Die Frequenz und Stärke der Mikrowellen bestimmen die Position des Schalters und die Stärke der Verbindung zwischen den Qubits und dem Resonator. Bildnachweis: R. Simmonds / NIST

„Das Ziel besteht darin, die Qubits bei Laune zu halten, damit sie ohne Ablenkungen rechnen können und sie gleichzeitig auslesen können, wenn wir wollen“, sagte Ray Simmonds, ein NIST-Physiker und einer der Autoren des Papiers. „Diese Gerätearchitektur trägt zum Schutz der Qubits bei und verspricht, unsere Fähigkeit zu verbessern, die hochgenauen Messungen durchzuführen, die für den Bau von Quanteninformationsprozessoren aus Qubits erforderlich sind.“

The team, which also includes scientists from the University of Massachusetts Lowell, the University of Colorado Boulder, and Raytheon BBN Technologies, describes its results in a paper published recently in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Naturphysik.

Quantencomputer, die sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, würden die bizarren Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, um Aufgaben zu erledigen, die selbst unsere leistungsstärksten klassischen Computer für unlösbar halten, beispielsweise die Unterstützung bei der Entwicklung neuer Medikamente durch die Durchführung anspruchsvoller Simulationen chemischer Wechselwirkungen .

Allerdings stehen die Entwickler von Quantencomputern immer noch vor vielen Problemen. Eine davon ist, dass Quantenschaltkreise durch externes oder sogar internes Rauschen herumgeschleudert werden, das durch Defekte in den Materialien entsteht, aus denen die Computer hergestellt werden. Bei diesem Rauschen handelt es sich im Wesentlichen um zufälliges Verhalten, das zu Fehlern bei Qubit-Berechnungen führen kann.

Heutige Qubits sind von Natur aus verrauscht, aber das ist nicht das einzige Problem. Viele Quantencomputerdesigns verfügen über eine sogenannte statische Architektur, bei der jedes Qubit im Prozessor physisch mit seinen Nachbarn und seinem Ausleseresonator verbunden ist. Die hergestellte Verkabelung, die Qubits miteinander und mit ihrer Auslesung verbindet, kann sie noch mehr Rauschen aussetzen.

Such static architectures have another disadvantage: They cannot be reprogrammed easily. A static architecture’s qubits could do a few related jobs, but for the computer to perform a wider range of tasks, it would need to swap in a different processor design with a different qubit organization or layout. (Imagine changing the chip in your laptop every time you needed to use a different piece of software, and then consider that the chip needs to be kept a smidgen above absolute zeroAbsolute zero is the theoretical lowest temperature on the thermodynamic temperature scale. At this temperature, all atoms of an object are at rest and the object does not emit or absorb energy. The internationally agreed-upon value for this temperature is −273.15 °C (−459.67 °F; 0.00 K)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">absoluter Nullpunkt, und Sie verstehen, warum sich dies als unpraktisch erweisen könnte.)

Der programmierbare Kippschalter des Teams umgeht diese beiden Probleme. Erstens verhindert es, dass Schaltungsrauschen durch den Ausleseresonator in das System eindringt, und verhindert, dass die Qubits miteinander kommunizieren, wenn sie eigentlich ruhig sein sollen.

„Dadurch wird eine wichtige Rauschquelle in einem Quantencomputer reduziert“, sagte Simmonds.

Zweitens wird das Öffnen und Schließen der Schalter zwischen den Elementen durch eine Reihe von Mikrowellenimpulsen gesteuert, die aus der Ferne gesendet werden, und nicht durch die physischen Verbindungen einer statischen Architektur. Die Integration weiterer dieser Kippschalter könnte die Grundlage für einen einfacher programmierbaren Quantencomputer sein. Die Mikrowellenimpulse können auch die Reihenfolge und Abfolge logischer Operationen festlegen, was bedeutet, dass ein Chip, der mit vielen Kippschaltern des Teams ausgestattet ist, angewiesen werden könnte, eine beliebige Anzahl von Aufgaben auszuführen.

„Dadurch wird der Chip programmierbar“, sagte Simmonds. „Anstatt eine völlig feste Architektur auf dem Chip zu haben, können Sie Änderungen per Software vornehmen.“

Ein letzter Vorteil besteht darin, dass der Kippschalter auch die Messung beider Qubits gleichzeitig einschalten kann. Diese Fähigkeit, beide Qubits aufzufordern, sich als Paar zu offenbaren, ist wichtig, um Fehler in der Quantenberechnung aufzuspüren.

Die Qubits in dieser Demonstration sowie der Kippschalter und die Ausleseschaltung bestanden alle aus supraleitenden Komponenten, die Strom ohne Widerstand leiten und bei sehr kalten Temperaturen betrieben werden müssen. Der Kippschalter selbst besteht aus einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät oder „SQUID“, das sehr empfindlich auf Magnetfelder reagiert, die durch seine Schleife laufen. Das Antreiben eines Mikrowellenstroms durch eine nahegelegene Antennenschleife kann bei Bedarf Wechselwirkungen zwischen den Qubits und dem Ausleseresonator induzieren.

Zu diesem Zeitpunkt hat das Team nur mit zwei Qubits und einem einzelnen Ausleseresonator gearbeitet, aber Simmonds sagte, dass sie einen Entwurf mit drei Qubits und einem Ausleseresonator vorbereiten und planen, auch weitere Qubits und Resonatoren hinzuzufügen. Weitere Forschung könnte Erkenntnisse darüber liefern, wie viele dieser Geräte aneinandergereiht werden können, und möglicherweise eine Möglichkeit bieten, einen leistungsstarken Quantencomputer mit genügend Qubits zu konstruieren, um die Art von Problemen zu lösen, die derzeit unüberwindbar sind.

Referenz: „Starke parametrische dispersive Verschiebungen in einem statisch entkoppelten QED-System mit zwei Qubit-Hohlräumen“ von T. Noh, Z. Xiao, XY Jin, K. Cicak, E. Doucet, J. Aumentado, LCG Govia, L. Ranzani, A . Kamal und RW Simmonds, 26. Juni 2023, Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-023-02107-2