Dieser „Spitzenschüler“ heißt Ionenfalle? Der „Scoring King“ im Quantencomputing

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Fakultät für Naturwissenschaften, Nationale Universität für Verteidigungstechnologie)

Wu Wei (Fakultät für Naturwissenschaften, Nationale Universität für Verteidigungstechnologie)

Wang Yutong (PhD in Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Wenn es um Quantencomputer geht, denke ich, dass den Lesern als Erstes das berühmte supraleitende Quantencomputersystem in den Sinn kommt. Doch bereits 1995 schlugen die Physiker Ignacio Cirac und Peter Zoller eine innovative Methode vor, die darin besteht, stabil gefangene Ionen zu verwenden, um den Betrieb von Quantenlogikgattern zu realisieren und dann ein Quantencomputersystem zu bauen, das als „Ionenfallen-Quantencomputer“ bezeichnet wird. Derzeit gelten das Quantencomputing mit Ionenfallen und das Quantencomputing mit Supraleitung als die beiden Mainstream-Lösungen für das Quantencomputing, bei denen eine wirklich praktische Anwendung zu erwarten ist.

Wie der Name schon sagt, geht es beim „Ionenfallen-Quantencomputing“ darum, Ionen stabil in einem bestimmten Potentialtopf einzufangen, sodass sie Quantenbits kodieren und am Quantencomputing teilnehmen können. Daher sind „Ionen“ und „Potentialtöpfe“ die beiden wichtigsten Elemente des Systems und auch der Schlüssel zum Verständnis des Funktionsprinzips des „Ionenfallen-Quantencomputings“.

Abb. 1 Schematische Darstellung von Ionen, die stabil in einem Potentialtopf gefangen sind.

Jeder weiße Punkt stellt ein einzelnes Ion dar, der axiale gelbe Pfeil stellt das elektrische Gleichfeld dar und der alternierende grüne Pfeil stellt das elektrische Wechselfeld dar.

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Warum also entscheiden sich Wissenschaftler für gefangene Ionen? Welche einzigartigen Vorteile hat das Ionenfallen-Quantencomputersystem, die es ihm ermöglichen, mit dem supraleitenden Quantencomputersystem gleichzuziehen und zu einer der beiden wichtigsten Mainstream-Technologien für die Realisierung von Quantencomputern zu werden? Lassen Sie uns diese Fragen aufgreifen und einen genaueren Blick auf dieses unauffällige, aber leistungsstarke Quantencomputersystem mit Ionenfalle werfen!

Ionen-Qubits – winzige Körper, große Fähigkeiten

Tatsächlich sind Ionen Atome mit elektrischer Ladung, sodass in ihrem Inneren natürlicherweise eine stabile Energieniveaustruktur vorliegt. Mithilfe dieser Eigenschaft können Wissenschaftler zwei bestimmte Energieniveaus innerhalb des Ions auswählen und sie in ein stabiles Zwei-Niveau-System kodieren, das wir als Quantenbit bezeichnen.

Bei einem Zwei-Niveau-System in einem einzelnen gefangenen Ion können wir den höheren Energiezustand als |1⟩-Zustand und den niedrigeren Energiezustand als |0⟩-Zustand bezeichnen. Da die Übergänge zwischen den inneren Energieniveaus von Ionen den Wahrscheinlichkeitsprinzipien der Quantenmechanik folgen, kann sich der Energiezustand eines einzelnen Ions gleichzeitig in einer Überlagerung von |1⟩- und |0⟩-Zuständen befinden, wodurch es als Ionen-Quantenbit an der Parallelberechnung von Quantencomputern teilnehmen kann.

Wenn es uns außerdem gelingt, N Ionen stabil in einem Ionenfallensystem einzufangen, können wir theoretisch N unabhängige Ionen-Qubits kodieren. Unter der präzisen Steuerung spezifischer Laserlichtfelder und Mikrowellenfelder können diese Ionen-Qubits parallele Quantenoperationen mit einer Leistung von 2N durchführen und so die leistungsstarken parallelen Verarbeitungsfähigkeiten von Quantencomputern demonstrieren.

Abbildung 2 Ionenkette mit 18 171Yb+-Ionen

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Bei einer eingehenden Diskussion des Ionenfallen-Quantencomputersystems müssen wir einen wichtigen Meilenstein in seiner Entwicklung hin zu Skalierung und Integration erwähnen – das Ionentransportschema auf Basis des Ionenfallen-Quantencomputerchips , das auch als QCCD-Schema (Quantum Charge-Coupled Device) bezeichnet wird.

Insbesondere ist der Quantencomputerchip mit Ionenfalle so konzipiert, dass er über mehrere räumliche Funktionsbereiche verfügt, die durch Anpassung des zusammengesetzten elektrischen Felds einen präzisen Transport von Ionen zwischen verschiedenen Funktionsbereichen ermöglichen. Diese Bereiche sind für wichtige Aufgaben wie die Quantenbitspeicherung, Logikgatteroperationen und die Messung von Quantenzuständen verantwortlich. Durch die organische Kombination dieser Operationen kann das QCCD-Schema sicherstellen, dass die Genauigkeit jeder Quantenoperation aufgrund der Zunahme der Gesamtzahl der Ionen nicht abnimmt, was der Schlüssel zur Realisierung eines universellen Quantencomputings im großen Maßstab ist.

Abbildung 3 Ionentransportschema basierend auf einem Quantencomputerchip mit Ionenfalle

Schematische Darstellung des QCCD-Schemas

(Bildquelle: Referenz [2])

Gerade aufgrund ihrer hervorragenden Leistung wird die Forschung an Ionenfallen-Quantencomputerchips kontinuierlich von den Sandia National Laboratories unter der US-amerikanischen National Nuclear Security Administration gefördert. Bereits 2010 bereiteten die Sandia National Laboratories den ersten Quantencomputerchip mit Ionenfalle vor und testeten ihn. Dabei gelang ihnen das Einfangen von 40Ca+. Im Jahr 2016 entwickelten die Sandia National Laboratories dann eine neue Generation von Ionenfallen-Quantencomputerchips „HOA-2.0“, der Ionen über mehr als 100 Stunden stabil einfangen kann. Im Jahr 2020 brachte das Labor „Phoenix and Peregrine“ auf den Markt, einen Ionenfallen-Quantencomputerchip mit einer komplexeren Elektrodenstruktur und besserer Ionentransportleistung.

Ionenfallen-Quantencomputing – der „Punktekönig“ im Quantencomputing

Im Vergleich zu führenden supraleitenden Quantencomputersystemen weist das Ionenfallen-Quantencomputersystem viele einzigartige Leistungsvorteile auf und gilt als „König der Besten“ in der Quantencomputer-Pionierforschung, was sich in den folgenden drei Aspekten widerspiegelt:

1. Geringere Fehlerrate: Die Ionen werden stabil in einem Ultrahochvakuumhohlraum gefangen, der Störungen aus der äußeren Umgebung wirksam isolieren und unter dem Antrieb des Laserfelds eine spezifische Quantenmanipulation erreichen kann. Derzeit hat das Quantencomputersystem mit Ionenfalle Weltrekorde für das Einzel-Qubit-Gatter mit der höchsten Wiedergabetreue (99,9999 %) und das Zwei-Qubit-Gatter mit der höchsten Wiedergabetreue (99,94 %) aufgestellt.

2. Hohe Konnektivität: Dank der Coulomb-Wechselwirkung über große Entfernungen zwischen gefangenen Ionen können verschiedene Ionen in derselben Ionenkette unter dem Einfluss des Laserfelds eine vollständig verbundene Informationsinteraktion miteinander erreichen, wodurch die parallele Rechenleistung erheblich verbessert wird.

3. Ultralange Dekohärenzzeit: Durch die Anwendung eines speziellen dynamischen Entkopplungsschemas und einer kollaborativen Kühltechnologie können die Quanteneigenschaften von Ionenquantenbits effektiv von der Umgebung entkoppelt werden und die längste Kohärenzzeit für ein einzelnes Quantenbit (5500 Sekunden) wurde festgelegt.

Im Dezember 2023 übernahm auch Quantinuum, das weltweit größte Unternehmen für Quantencomputer mit Ionenfallen, die oben erwähnte QCCD-Lösung und brachte den Ionenfallenchip „H2“ mit 32 Ionen-Qubits auf den Markt. Dabei erreichte es Einzelbit-Quantenlogikgatter mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 99,997 % sowie vollständig verbundene Zweibit-Quantenlogikgatter mit einer Genauigkeit von 99,8 %, was in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregte. Im Juni 2024 brachte das Unternehmen einen neu verbesserten Ionenfallen-Quantencomputerchip „H2-1“ auf den Markt und erweiterte ihn auf 56 Ionen-Qubits. Seine Dual-Qubit-Gate-Genauigkeit beträgt bis zu 99,914 %, womit er der erste kommerzielle Quantencomputer ist, der den kritischen Wert „drei Neunen“ erreicht.

Abbildung 4: Ionenfallenchip von Quantinuum, einem Unternehmen für Ionenfallen-Quantencomputer (Bildquelle: Quantinuum)

Im Vergleich zum supraleitenden Quantencomputersystem, das sich auf einen einzelnen Indikator konzentriert, legt das Ionenfallen-Quantencomputersystem als „Scoring King“ mehr Wert auf die allgemeine Verbesserung der Quantenrechenleistung.

Generell muss die Gesamtrechenleistung eines Quantencomputers umfassend unter drei Gesichtspunkten betrachtet werden: der Anzahl der Quantenbits, der Konnektivität der Quantenbits und der Genauigkeit der Quantenverschränkungsgatter. Der Schlüsselindikator, der diese drei Aspekte integriert, ist das „Quantenvolumen (QV)“. Je größer das Quantenvolumen, desto größer ist die Gesamtrechenleistung des Quantencomputers. Aktuell hat das Ionenfallen-Quantencomputersystem den Wert 2 hoch 20 erreicht und ist damit das Quantencomputersystem mit dem größten Quantenvolumen der Welt.

Abbildung 5 Das Quantenvolumen (QV) von Quantinuum erreicht einen neuen Weltrekord (2 hoch 20)

(Bildquelle: Quantinuum, Referenzen [3-4])

Der Fortschritt bei Ionenfallenchips in China ist weltweit führend, aber es besteht immer noch eine Generationslücke

Bereits 2014 entwickelte ein Forschungsteam der National University of Defense Technology den ersten Ionenfallenchip des Landes und realisierte dabei die Ausbildung und Reserve relevanter Fachkräfte. Im Jahr 2016 gelang es dem Forschungsteam, 38 eindimensionale 40Ca+-Ionenketten in einem frühen Ionenfallenchip einzufangen. Basierend auf der Forschung am Ionenfallenchip der ersten Generation entwickelte das Forschungsteam anschließend Ionenfallenchips der zweiten und dritten Generation und erreichte eine quantenkohärente Manipulation von 20 Ionen, während es den quantenklassischen Hybridalgorithmus demonstrierte.

Abbildung 6 Schematische Darstellung des Ionenfallenchips der dritten Generation, der von der National University of Defense Technology erfolgreich entwickelt wurde

(Bildquelle: Ionenfallen-Forschungsteam der National University of Defense Technology)

Darüber hinaus gehören zu den Forschungsteams meines Landes für Ionenfallenchips auch die Tsinghua-Universität, die University of Science and Technology of China, die Southern University of Science and Technology und andere Institutionen. Derzeit liegt das Forschungsniveau meines Landes im Bereich der Ionenfallenchips weltweit an der Spitze, doch im Vergleich zu den führenden Forschungsteams der Welt besteht immer noch eine Generationslücke in der Forschung von 5 bis 8 Jahren.

In den letzten Jahren waren die Forschungsteams meines Landes aufgrund des internationalen Embargos auf wissenschaftliche Instrumente und Schlüsseltechnologien bei der Spitzenforschung zu Ionenfallenchips mit dem wissenschaftlichen Forschungsdilemma konfrontiert: „Ein guter Koch kann nicht ohne Reis kochen.“ Einerseits können Schlüsselkomponenten wie hochreine Atomtargets, Hochleistungslaser und fortschrittliche Chipprozesse nicht ausreichend technisch unterstützt werden. Andererseits besteht ein deutlicher Mangel an Fachkräften im Bereich der Quanteninformatik mit Ionenfallen, was leicht dazu führen kann, dass das bestehende Forschungsteam langfristig nicht genügend Personal hat.

Die Aussichten des Quantencomputings – Behalten Sie Ihre Füße im Auge und freuen Sie sich auf die Zukunft

Obwohl sich das Quantencomputing rasant weiterentwickelt, steckt es noch in den Kinderschuhen und es ist noch zu früh, um zu bestimmen, welcher Technologieweg sich durchsetzen wird. Die derzeit vorherrschende Meinung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist, dass zur Realisierung eines wirklich praktischen Quantencomputers eine dreistufige Entwicklungsstrategie erforderlich ist, nämlich: Überprüfung der Überlegenheit des Quantencomputings, mittelgroßes Quantencomputing (NISQ) in einer lauten Umgebung und verallgemeinerbares Quantencomputing.

Derzeit hat die Menschheit den ersten Schritt der „Drei-Stufen-Strategie“ abgeschlossen – den Nachweis der Überlegenheit des Quantencomputings – und einen wichtigen Schritt auf dem Gebiet der Quantenfehlerkorrektur gemacht, sodass sie die „Drei-Stufen-Strategie“ weiterhin stetig vorantreibt. In absehbarer Zukunft werden Quantencomputer nach Abschluss der „Drei-Stufen-Strategie“ nicht nur zur Lösung spezifischer algorithmischer Probleme eingesetzt werden, sondern auch leistungsstarke Rechenleistungsunterstützung für eine Produktivität von neuer Qualität bieten und so eine sprunghafte Entwicklung der Rechenleistung erreichen.

Quellen:

[1] Cirac JI, Zoller P. Quantenberechnungen mit kalten gefangenen Ionen[J]. Physical Review Letters, 1995, 74(20): 4091.

[2] Kielpinski D, Monroe C, Wineland D J. Architektur für einen groß angelegten Ionenfallen-Quantencomputer[J]. Nature, 2002, 417(6890): 709-711.

[3] Quantum. H-Serie: Fortschrittskurve zur Verbesserung des Quantenvolumens [EB/OL]. [2024-04-16]. https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-extends-its-significant-lead-in-quantum-computing-achieving-historic-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume.

[4] Moses SA, Baldwin CH, Allman MS, et al. Ein Quantenprozessor mit gefangenen Ionen auf Rennstreckenbasis[J]. Physical Review X, 2023, 13(4): 041052.