Wenn Supraleitung auf Quanten trifft (Teil 1): Die Freude an der doppelten Buff-Superposition

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Vor Kurzem wurde im Bereich des Quantencomputings ein weiterer Meilenstein erreicht! Ein Forschungsteam für künstliche Quantenintelligenz von Google nutzte eine supraleitende Quantencomputerlösung, um zu beweisen, dass die Fehlerrate beim Quantencomputer durch eine Erhöhung der Anzahl der Quantenbits reduziert werden kann, und verifizierte damit die Durchführbarkeit der Quantenfehlerkorrektur. Die Forschungsergebnisse wurden in der weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht und erregten große Aufmerksamkeit in der Wissenschaft und Industrie.

Im Jahr 2019 veröffentlichte das Team auf dem Cover von „Nature“ ein äußerst wichtiges Papier, in dem es mithilfe supraleitender Quantencomputerlösungen erstmals „Quantenüberlegenheit“ erreichte. Konkret entwickelte das Team einen Quantencomputer mit 53 supraleitenden Quantenbits und löste erfolgreich eine sehr komplexe Rechenaufgabe in nur 200 Sekunden, für deren Erledigung der damals weltweit führende Supercomputer etwa 10.000 Jahre benötigt hätte. Dies verdeutlicht das enorme Rechenpotenzial des Quantencomputings.

Für die meisten Menschen sind „Supraleitung“ und „Quanten“ zwei Wörter, die ihnen sowohl vertraut als auch unbekannt sind. Ich glaube, jeder muss diesen Zweifel haben: Was genau ist das „supraleitende Quantencomputing“, das die Menschen immer wieder aufs Neue überrascht? Welcher Zusammenhang besteht hier zwischen „supraleitendem Quantencomputing“ und Supraleitung? Was hat das mit „Quantencomputing“ zu tun? Wenn Quantencomputer so leistungsfähig sind, warum müssen Wissenschaftler dann immer noch nach Möglichkeiten suchen, ihnen bei der Korrektur von Fehlern zu helfen?

Als nächstes werde ich diese Probleme anhand von drei Artikeln einzeln erläutern.

Supraleitung: Ich weiß, dass Sie es wissen, aber überspringen Sie es noch nicht

Welche Beziehung besteht zwischen „supraleitendem Quantencomputing“ und Supraleitung? Dies beginnt mit dem Phänomen der Supraleitung.

Supraleitung ist ein sehr interessantes und wichtiges physikalisches Phänomen. Dies bedeutet, dass das Material unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur (normalerweise unter einigen zehn Kelvin oder etwa minus 200 Grad Celsius) elektrischen Strom verlustfrei übertragen kann und somit die Eigenschaft des Nullwiderstands aufweist.

Aufgrund des vorhandenen Widerstands wandeln herkömmliche leitfähige Materialien einen Teil der elektrischen Energie in der Übertragungsleitung in Wärmeenergie um, was zu unvermeidlichen Leistungsverlusten und enormer Energieverschwendung führt. Durch die Verwendung supraleitender Materialien zur Herstellung von Übertragungsleitungen können Übertragungsverluste erheblich reduziert und somit die Energieeffizienz verbessert werden.

Supraleiter

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Zusätzlich zur Eigenschaft des Nullwiderstands verfügen Materialien im supraleitenden Zustand über eine noch erstaunlichere Eigenschaft: den sogenannten vollständigen Diamagnetismus, auch bekannt als Meissner-Effekt.

Insbesondere wenn ein Material im supraleitenden Zustand einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, wird im Inneren des supraleitenden Materials ein gleich großes und entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld hebt das äußere Magnetfeld auf, sodass das gesamte Magnetfeld im Inneren des Supraleiters immer Null bleibt. Diese Eigenschaft macht sie für viele Anwendungen wertvoll. In der Technik nutzen wir beispielsweise den Diamagnetismus von Supraleitern, um Magnetschwebebahnen zu konstruieren.

Supraleitender Diamagnetismus

(Bildquelle: Wikipedia)

Tatsächlich gibt es das Phänomen der Supraleitung seit seiner Entdeckung im Jahr 1911 bereits seit über hundert Jahren. Wissenschaftler erforschen die wunderbaren physikalischen Eigenschaften supraleitender Materialien und ihre möglichen praktischen Anwendungen. Seit den 1960er Jahren versuchen Wissenschaftler im Zuge der kontinuierlichen Weiterentwicklung der integrierten Schaltkreistechnologie, die Grundprinzipien der Quantenmechanik zu nutzen, um bestimmte Schaltkreise zu konstruieren und so Quantencomputer zu realisieren.

Quant: Glauben Sie, dass das Quant, das Sie kennen, das wahre Quant ist?

„Im Zweifelsfall wenden Sie sich der Quantenmechanik zu.“ Haben Sie diesen Satz schon einmal gehört? Beim Thema Quanten denken manche Menschen an Produkte wie Quantenwasserbecher, Quantenbrillen und Quanteneinlegesohlen. Tatsächlich kann man nicht sagen, dass sie genau dasselbe wie Quanten sind, man kann nur sagen, dass sie völlig unabhängig voneinander sind.

Tatsächlich ist die Quantenmechanik kein Mysterium. Es handelt sich um eine physikalische Theorie, die die Bewegungsgesetze winziger Teilchen in der mikroskopischen Welt beschreibt. Um jedem ein intuitiveres Verständnis der Quantenmechanik zu ermöglichen, können wir sie zur Erklärung in zwei Wörter aufteilen: „Quanten“ und „Mechanik“.

Tatsächlich ist „Quant“ kein reales Teilchen, sondern die kleinste Energieeinheit. Dieses Konzept hat eine lange Geschichte. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der experimentellen Physik, einige mikroskopische Phänomene zu entdecken, die zuvor schwer zu beobachten waren und die mit den alten physikalischen Theorien nicht erklärt werden konnten.

Um diese Phänomene zu erklären, haben Wissenschaftler versucht, einen neuen theoretischen Rahmen zu entwickeln, um die Wechselwirkungen zwischen winzigen Partikeln in der mikroskopischen Welt zu beschreiben. Im neuen theoretischen Rahmen haben Wissenschaftler entdeckt, dass die Energieänderung nicht mehr kontinuierlich erfolgt, sondern dass es immer eine kleinste Energieeinheit gibt, die als „Quanten“ bezeichnet wird.

Apropos „Mechanik“: Ich glaube, jeder erinnert sich noch an einen Satz, den er im Physikunterricht in der Schule gelernt hat: Kraft ist der Grund für die Änderung des Bewegungszustands eines Objekts. Mit anderen Worten: „Quanten“ plus „Mechanik“ beschreibt eigentlich die Bewegungsgesetze winziger Teilchen in der mikroskopischen Welt.

Natürlich deckt die Theorie der „Quanten“ und der „Mechanik“ mit der kontinuierlichen Verbesserung des theoretischen Systems auch die Wechselwirkung zwischen winzigen Teilchen und der Struktur mikroskopischer Materie ab. Der Legende nach war es Einstein selbst, der schließlich „Quanten“ und „Mechanik“ zu einem einzigen Begriff vereinte und ihn „Quantenmechanik“ nannte!

Daher ist die Quantenmechanik kein Mysterium. Wir leben lediglich in der makroskopischen Welt und können die Veränderungen in der mikroskopischen Welt nicht spüren. Konzepte wie die Quantensuperposition aus der Quantenmechanik haben jedoch begonnen, einen echten Einfluss auf unser Leben zu haben. Quantencomputing ist eine völlig neue Art, Berechnungen auf der Grundlage der Grundprinzipien der Quantenmechanik durchzuführen.

Quantencomputing ist das, was wir in unserem täglichen Leben in Mobiltelefonen, Computern, Taschenrechnern usw. sehen. Dabei handelt es sich um klassische Computer, die nur die Zustände 0 oder 1 verarbeiten können, und ihre grundlegende Recheneinheit wird als Bit bezeichnet. Beim Quantencomputing können Informationen für paralleles Rechnen in einem Überlagerungszustand von 0 und 1 kodiert werden. Diese grundlegende Recheneinheit, die sowohl den Zustand 0 als auch den Zustand 1 gleichzeitig darstellen kann, wird als Quantenbit (Qubit) bezeichnet.

Mit anderen Worten: Quantencomputer verfügen über eine exponentielle Supercomputerleistung, und zwar gerade aufgrund der Fähigkeit von Quantenbits, gleichzeitig Superpositionszustände von 0 und 1 zu kodieren. Dadurch können sie bestimmte Rechenprobleme schneller lösen als klassische Computer.

In der öffentlichen Wahrnehmung ist mit dem Begriff „Quanten“ immer ein Hauch von Geheimnis verbunden, da er oft mit den neuesten wissenschaftlichen Fortschritten oder Science-Fiction-Werken in Verbindung gebracht wird und Quantencomputing für die mysteriöse Rechengeschwindigkeit steht. Welche Funken werden sprühen, wenn die uns bekannte Supraleitung auf das mysteriöse Quantencomputing trifft?

Ja, es handelt sich um das „supraleitende Quantencomputing“, das wir am Anfang des Artikels erwähnt haben.

Supraleitung + Quantencomputing = supraleitendes Quantencomputing

Hier müssen wir einige grundlegende Schaltkreiskenntnisse vermitteln, damit jeder das Kernkonzept des supraleitenden Quantencomputings besser versteht. Stellen wir uns beispielsweise ein Schaltungsmodell vor. Nachdem die Energie des gesamten Schaltkreises mithilfe der Quantenmechanik verarbeitet wurde, treten seltsame Phänomene auf.

Die Energieänderung des Stromkreises kann nicht mehr kontinuierlich erfolgen, sondern nur noch in einer minimalen Energieeinheit zu- oder abnehmen.

Was bedeutet das? Genau wie beim Treppensteigen im Alltag konnten wir uns vor der Erfindung des Aufzugs überall im Flur aufhalten. Beispielsweise könnten wir im 3. oder 4. Stock anhalten oder uns im Treppenhaus zwischen dem 3. und 4. Stock aufhalten. Dies könnte als ein kontinuierlicher Veränderungsprozess betrachtet werden. Wenn wir den Aufzug benutzen, können wir uns jedoch nur auf festgelegten Etagen aufhalten und nicht zwischen der 3. und 4. Etage. Diese Art der Veränderung nur in kleinsten Einheiten ist das „diskrete Phänomen“, das nur der Quantenmechanik eigen ist.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Das heißt, nach der Verarbeitung durch die Quantenmechanik kann die Systemenergie des Schaltungssystems nur in bestimmten Zuständen vorliegen, und dieser Energiezustand mit diskreten Eigenschaften hat einen anschaulicheren Namen – Energieniveau.

Diese spezielle Struktur äquidistanter Energieniveaus kann nicht direkt zur Realisierung von Quantencomputern verwendet werden. Der Grund ist ganz einfach. Stellen Sie sich vor, wir kodieren nur die beiden niedrigsten Energieniveaus des gesamten Schaltkreissystems als 0 bzw. 1 und erreichen den Übergang zwischen den beiden Energieniveaus auf irgendeine Weise.

Da zu diesem Zeitpunkt der Abstand der Energieniveaus des gesamten Systems gleich ist, erfolgt dieser Übergang nicht nur zwischen dem Zustand 0 und dem Zustand 1, sondern auch zwischen Energieniveaus mit höherer Energie. Beispielsweise finden Übergänge zwischen Zustand 1 und Zustand 2 sowie zwischen Zustand 2 und Zustand 3 statt. Daher können wir nur unregelmäßige Übergänge zwischen zahlreichen Energieniveaus durchführen und keine Quantenbits konstruieren, die nur die Zustände 0 und 1 kodieren.

Derzeit werden supraleitende Materialien benötigt.

Wissenschaftler verwenden supraleitende Materialien, um eine magische elektrische Struktur zu schaffen, die diesen gleichmäßigen Abstand der Energieniveaus künstlich zerstören kann. Auf diese Weise konstruieren sie Quantenbits, die die Zustände 0 und 1 stabil kodieren können.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich eine „Sandwich“-Struktur aus „Supraleiter-Isolierschicht-Supraleiter“ bildet, wenn zwischen zwei Supraleitern eine dünne Isolierschicht (Dicke etwa 1 nm) eingefügt wird. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Energie des Schaltungssystems nicht mehr linear. Je höher das Energieniveau, desto kleiner ist der Abstand zwischen den Energieniveaus. Diese spezielle Sandwichstruktur wird auch als Josephson-Kontakt bezeichnet.

Josephson-Knoten

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Auf diese Weise kann der aus dem Josephson-Kontakt bestehende supraleitende Schaltkreis die beiden niedrigsten Energieniveaus in die Zustände 0 bzw. 1 kodieren und so ein stabiles supraleitendes Quantenbit konstruieren.

Derzeit gibt es zwei gängige Typen supraleitender Quantenbits, nämlich „Fluxbit“ und „Transmonbit“.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Darunter besteht das „Fluxbit“ aus einem Induktorelement L und einer Josephson-Verbindung. Zu diesem Zeitpunkt kann es im supraleitenden Schaltkreis zwei verschiedene Stromrichtungen geben, im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn. Sie stellen unterschiedliche Energiezustände des Systems dar und können daher in die Zustände 0 bzw. 1 des Quantenbits kodiert werden.

Das „Transmon-Bit“ besteht aus einem Kondensatorelement C und einem Josephson-Kontakt. Zu diesem Zeitpunkt tritt im supraleitenden Schaltkreis ein wunderbares Phänomen auf: Die Ladungen im Schaltkreis können unter externer Regulierung in unterschiedlichen Energiezuständen auftreten. Daher können wir den Zustand mit niedrigerer Energie als 0-Zustand und den angeregten Zustand mit höherer Energie als 1-Zustand kodieren und so ähnliche Quantenbits konstruieren, die an der Berechnung teilnehmen.

Noch erstaunlicher ist, dass bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des supraleitenden Materials die Elektronen in den Supraleitern an beiden Enden, die ursprünglich durch die Isolierschicht blockiert wurden, tatsächlich die mittlere Isolierschicht passieren können, wodurch eine nichtlineare Strombeziehung zwischen den Supraleitern an beiden Enden entsteht.

Daher basiert das supraleitende Quantencomputing auf der Untersuchung supraleitender Phänomene und der Entwicklung des Quantencomputings. Dabei werden die besonderen Eigenschaften supraleitender Materialien genutzt, um ein nichtlineares elektrisches Element zu konstruieren – den Josephson-Kontakt. Dadurch werden supraleitende Quantenbits konstruiert, die die Zustände 0 und 1 stabil kodieren können und so letztlich Quantencomputer mit Superrechenleistung realisieren.

Die Lösung des supraleitenden Quantencomputings wurde in der Wissenschaft und Industrie umfassend untersucht, weil sie einerseits mit der heutigen integrierten Schaltkreistechnologie kompatibel ist und somit ein großes Skalierbarkeitspotenzial besitzt; Auf der anderen Seite handelt es sich bei supraleitenden Quantencomputern um künstlich geschaffene Quantensysteme, die hochgradig manipulierbar sind und verschiedene Arten wissenschaftlicher Forschung und praktische Anforderungen erfüllen können. Daher hat sich das supraleitende Quantencomputing sehr schnell entwickelt und ist heute eine der gängigen Quantencomputing-Lösungen.

Abschluss

Für die heute gängigen Implementierungslösungen für Quantencomputer bietet die supraleitende Quantencomputertechnik die Vorteile einer guten Steuerbarkeit und Kompatibilität mit der aktuellen integrierten Schaltkreistechnologie. Allerdings sind die supraleitenden Quantenbits des Systems extrem anfällig für Störungen durch externes Rauschen, was zu einer Reihe von Fehlern führt. Warum machen Quantencomputer trotz ihrer Leistung immer noch Fehler? Bleiben Sie dran für die nächste Folge, um es herauszufinden.