Suche nach „MOSS“ in der realen Welt (Teil 3): Die „erste Front“ im Rennen um Quantencomputer

Produziert von: Science Popularization China

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

Hersteller: China Science Expo

Im Science-Fiction-Film „The Wandering Earth 2“, der Anfang 2023 in die Kinos kam, wurde „MOSS“ als der leistungsstärkste Quantencomputer mit extrem hoher Intelligenz und Superrechenleistung dargestellt, der der Menschheit bei verschiedenen Krisen im Universum tatkräftig zur Seite steht. Die Inspiration für diese erstaunliche Rechenleistung stammt aus den Fortschritten in der realen Quantencomputertechnologie. Diese wunderbare Vorstellungskraft verleiht dem Film nicht nur Science-Fiction-Elemente, sondern weckt auch in den Menschen eine grenzenlose Vorstellungskraft hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung der Technologie.

„MOSS“ in „Die wandernde Erde 2“

(Bildquelle: Standbilder aus dem Film „The Wandering Earth 2“)

In der realen Welt sind Quantenbits, die grundlegende Recheneinheit von Quantencomputern, jedoch äußerst anfällig für Störungen durch Umgebungsgeräusche, was die Entwicklung und praktische Anwendung von Quantencomputern stark einschränkt. Daher ist die Frage, wie sich ein geeigneter physikalischer Träger für die Konstruktion eines stabilen Quantenbits finden lässt, zu einem Thema geworden, mit dem sich Wissenschaftler intensiv beschäftigen.

Was genau ist das legendäre Quantenbit?

Die meisten elektronischen Geräte, mit denen wir in unserem täglichen Leben in Kontakt kommen, sind traditionelle klassische Computer. Die grundlegende Recheneinheit eines klassischen Computers ist ein Bit, das nur den Zustand 0 oder 1 deterministisch darstellen kann und somit binäre Operationen an Daten durchführen kann.

Quantencomputer nutzen eine völlig neue Art des Rechnens. Ihre grundlegende Recheneinheit ist das Quantenbit (Qubit), das die Überlagerung von Zustand 0 und Zustand 1 gleichzeitig darstellen kann. Mit anderen Worten: Das Quantenbit kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den Zustand 0 und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den Zustand 1 darstellen. Gerade aufgrund dieser wunderbaren Eigenschaft von Quantenbits können Quantencomputer bei bestimmten Problemen parallele Operationen im 0/1-Superpositionszustand durchführen und dadurch eine exponentiell höhere Rechenleistung erreichen, die die von klassischen Computern bei weitem übertrifft.

Als grundlegende Recheneinheit eines Quantencomputers muss ein Quantenbit über zwei unterscheidbare Energiezustände (Energieniveaus) verfügen, die jeweils stabil in den Zustand 0 und den Zustand 1 kodiert werden können, und unter externer Steuerung probabilistische Übergänge zwischen Zustand 0 und Zustand 1 erreichen können. Aber wie oben erwähnt, sind Quantenbits extrem anfällig für Umgebungsgeräusche.

Wie Quantencomputer funktionieren

(Bildquelle: Volkswagen AG)

Glücklicherweise haben einige natürliche Partikel in der Natur sehr stabile physikalische Eigenschaften und werden daher nicht so leicht durch externe Störungen gestört. Gleichzeitig gibt es in ihnen normalerweise zwei stabile Energiezustände (Energieniveaus), was Wissenschaftler dazu inspiriert, bestimmte natürliche Teilchen künstlich zu manipulieren, um Quantenbits zu konstruieren, die 0/1-Superpositionszustände stabil kodieren können.

Zu diesen natürlichen Teilchen gehören normalerweise: geladene Ionen, ungeladene Atome und einzelne Photonen. Ihr gemeinsames Merkmal ist, dass sie die oben genannten Anforderungen an Quantenbits erfüllen. Abhängig von den gewählten Teilchen können Quantencomputer in drei Typen unterteilt werden: Ionenfallen-Quantencomputer (geladene Ionen), Kaltatom-Quantencomputer (ungeladene Atome) und optische Quantencomputer (einzelne Photonen).

Dieses Schema der Verwendung natürlicher Teilchen zum Aufbau von Quantenbits wird auch als „natürliches Zwei-Ebenen-System“ bezeichnet. Es ist einfach, stabil und leicht zu manipulieren und daher eines der ersten physikalischen Systeme, das umfassend untersucht wurde. Heute hat sich das natürliche Zwei-Ebenen-System zur „ersten Front“ im Rennen um den Quantencomputer entwickelt. Nächste. Wir werden die verschiedenen Mitglieder dieses Teams kurz vorstellen.

Quantencomputing mit Ionenfallen – geladene Ionen „einsperren“!

Unter den vielen Teilchenkandidaten in der Natur ist das geladene Ion das erste Teilchen, an das die Wissenschaftler denken. Dabei stützen sie sich auf zwei Überlegungen:

Erstens gibt es innerhalb der Ionen klar unterscheidbare Energieniveaus, und die Struktur der Energieniveaus ist relativ einfach, sodass es relativ einfach ist, Quantenbits zu konstruieren, um den Überlagerungszustand von 0/1 zu kodieren. Zweitens tragen die Ionen selbst elektrische Ladungen, sodass ein einzelnes Ion unter der Einwirkung externer elektrischer und magnetischer Felder stabil gefangen werden kann, wodurch die Bewegung der geladenen Ionen auf einen sehr kleinen räumlichen Bereich beschränkt wird und so eine Ionenfalle entsteht.

Gerade weil geladene Ionen die beiden oben genannten Vorteile bieten, schlugen Wissenschaftler bereits 1995 vor, geladene Ionen zum Aufbau von Quantenbits zu verwenden, um einen echten Quantencomputer zu realisieren.

Innsbrucker Physiker setzen vier verschränkte Ionen einer lauten Umgebung aus

(Bildquelle: phys.org)

Allerdings ist es nicht einfach, einzelne geladene Ionen künstlich zu manipulieren. Dabei treten vor allem zwei technische Probleme auf:

Erstens gibt es in der Atmosphäre eine große Anzahl von Partikeln mit unterschiedlicher Ladung. Geladene Ionen können in der Atmosphäre leicht mit Partikeln mit entgegengesetzter Ladung reagieren. Wie können wir also ein einzelnes geladenes Ion stabil einfangen und es für lange Zeit stabil gefangen halten?

Die zweite besteht darin, die inneren Energieniveaus einzelner Ionen mit einer durchschnittlichen Größe von weniger als 0,02 Mikrometern und einer Masse von nur etwa 2–3 × 10-22 Gramm fein zu manipulieren, um Ionenquantenbits zu konstruieren, die 0/1-Überlagerungszustände kodieren können.

Für das erste Problem müssen die geladenen Ionen in einer Kammer mit Ultrahochvakuum isoliert werden, um die Ionen vor einer elektrischen Neutralisierung zu schützen. Im Allgemeinen kann der Druck in einer Ultrahochvakuumhöhle 10 hoch -9-9 Pa erreichen, was in etwa dem Vakuumniveau auf der Mondoberfläche entspricht.

Um die geladenen Ionen noch weiter in einem ausreichend kleinen Raum einzuschließen, ist außerdem die kombinierte Wirkung des „elektrischen Felds und des magnetischen Felds“ erforderlich, um die Ionen vollständig einzufangen. Darüber hinaus wird im Experiment Laserkühlung eingesetzt, um die Bewegungsgeschwindigkeit der Ionen zu verringern und so nahezu stationäre geladene Ionen in einer Ultrahochvakuumkammer zu erhalten.

Ionenfallensystem, das ein Ultrahochvakuum von 10 hoch -9 Pa erreichen kann

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Zur zweiten Frage: Um einzelne gefangene Ionen künstlich manipulieren zu können, fokussieren Wissenschaftler den Durchmesser des Laserspots üblicherweise auf einige Mikrometer und erzeugen dadurch Übergänge zwischen den inneren Energieniveaus der geladenen Ionen. Darüber hinaus können ähnliche Vorgänge experimentell mithilfe von Mikrowellen und anderen Methoden erreicht werden.

1989 erhielten die Physiker Paul und Dehmelt gemeinsam den Nobelpreis für Physik für die „Entwicklung der Ionenfallentechnologie“.

Drei Nobelpreisträger für Physik 1989

(Bildquelle: sciencedirect)

Bis heute hat sich das Quantencomputing auf der Basis gefangener Ionen rasant entwickelt und erreicht eine Genauigkeit von über 99,9 %. Darüber hinaus haben immer mehr Start-ups im Bereich Ionenfallen in die Forschung zur Erhöhung der Zahl der gefangenen Ionen investiert und konnten Hunderte von Ionen stabil einfangen sowie entsprechende Quantencomputer demonstrieren.

Angesichts der steigenden Anzahl an Ionen und der Notwendigkeit einer immer ausgefeilteren Steuerung steht das Ionenfallen-Quantencomputing natürlich noch immer vor Herausforderungen hinsichtlich des Strukturdesigns und der Verarbeitungstechnologie, die auch in Zukunft einen der wichtigsten Forschungsbereiche für Wissenschaftler darstellen.

Quantencomputing mit kalten Atomen – Atome: Kalt! Mit der „optischen Pinzette“ gefangen

Obwohl das Quantencomputing mit Ionenfallen die Eigenschaften einer einfachen und stabilen Energieniveaustruktur aufweist, war die unzureichende Skalierbarkeit der Ionenanzahl selbst immer der wichtigste limitierende Faktor, der seine weitere Entwicklung einschränkte. Daher begannen die Wissenschaftler, ihre Aufmerksamkeit einem anderen natürlichen Teilchen zuzuwenden, in der Hoffnung, ein physikalisches System mit Tausenden von Teilchen zu konstruieren, das kontinuierlich erweitert werden kann. Dieses natürliche Teilchen ist das Atom, das wir in der Mittelschule kennengelernt haben.

Ich glaube, dass jeder schon einmal ein Modell der Atomstruktur gesehen hat. Es könnte sich im Blumenbeet neben dem Tor der Mittelschule befinden oder in der Ecke eines Wissenschaftsmuseums stehen. Dieses klassische Atomstrukturmodell besteht normalerweise aus zwei Teilen: einem positiv geladenen Atomkern im Zentrum und einer Anzahl negativ geladener Elektronen, die außerhalb des Atomkerns kreisen. Daher sind die positiven und negativen Ladungen des Atoms selbst ausgeglichen und das Atom als Ganzes weist keine geladenen Eigenschaften auf.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Gerade weil die Atome selbst nicht geladen sind, können Wissenschaftler keine Methode mit einem „elektrischen Feld und einem magnetischen Feld“ wie bei gefangenen Ionen verwenden, um Atome einzufangen. Hierzu ist die Entwicklung einer weiteren Technologie erforderlich, um Atome stabil einzufangen und so entsprechende Quantenbits zu konstruieren.

Glücklicherweise haben Wissenschaftler herausgefunden, dass, wenn ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines Atoms fokussiert wird, das Atom eine Kraft spürt, die in drei Richtungen auf den Punkt maximaler Lichtintensität zeigt. Auf diese Weise wird das Atom durch Kräfte aus drei Richtungen gleichzeitig in die Nähe des stärksten Punktes des Lasers gedrückt.

Dieser „fallenartige“ Mechanismus kann Atome in einem bestimmten Raum einschließen und sich mit der Bewegung des konvergierenden Lichtstrahls bewegen. Der konvergierende Lichtstrahl hält die Atome wie eine Pinzette fest, daher wird dieser Mechanismus auch „optische Pinzette“ genannt.

Konzeptionelle Darstellung eines Zwei-Qubit-Gatters. In diesem System werden zwei Atome (1 μm voneinander entfernt), die mit optischen Pinzetten (rosa Licht) gefangen sind, durch einen ultraschnellen Laserpuls (blaues Licht) von nur 10 ps Dauer manipuliert.

(Bildnachweis: Takafumi Tomita/IMS)

Im Allgemeinen befinden sich die in optischen Pinzetten eingefangenen Atome in einem nahezu stationären Zustand und die entsprechende stabile Temperatur beträgt nur etwa einige Millikelvin (mK). Daher wird das mit der optischen Pinzettentechnologie gebundene Zentralatom auch als „kaltes Atom“ bezeichnet.

Optische Pinzette

(Bildquelle: Wikipedia)

Es ist erwähnenswert, dass Wissenschaftler die optische Pinzettentechnologie nicht nur verwenden können, um den Quantenzustand neutraler Atome präzise zu manipulieren, sondern auch die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Atomen weiter realisieren und so eine Reihe hochpräziser Quantengatteroperationen konstruieren können.

Dank der Flexibilität der optischen Pinzettentechnologie verfügen Kaltatom-Quantencomputing-Lösungen auf Basis neutraler Atome über ganz besondere Vorteile: hohe Skalierbarkeit und flexible Bedienbarkeit. Der Erfindung der optischen Pinzettentechnologie ist es auch zu verdanken, dass Arthur Ashkin und andere 2018 den Nobelpreis für Physik erhielten.

Gewinner des Nobelpreises für Physik 2018

(Bildquelle: Offizielle Website des Nobelpreises für Physik 2018)

Bis heute ist die Technologie der optischen Pinzette soweit entwickelt, dass beliebige optische Array-Formen erreicht werden können, wodurch verschiedene neutrale Atome stabil in beliebigen Bereichen eingeschlossen werden können und eine stabile Eingrenzung von mehr als 1.000 neutralen Atomen erreicht werden kann. Darüber hinaus versuchen Wissenschaftler auch aktiv, die ursprünglich einfache zweidimensionale Ebene zu einer dreidimensionalen Raumstruktur zu erweitern, um die Skalierbarkeit des Systems weiter zu verbessern.

Allerdings weist die optische Pinzettentechnologie auch gewisse Einschränkungen auf. Dies liegt daran, dass die von optischen Pinzetten erzeugte Bindungskraft zwar neutrale Atome stabil festhalten kann, diese Kraft jedoch immer noch sehr schwach ist. Am Ende des Quantencomputervorgangs mit kalten Atomen wird zusätzliches Laserlicht benötigt, um den Quantenzustand des neutralen Atoms zu erkennen, was dazu führt, dass das ursprünglich in der optischen Pinzette befindliche neutrale Atom verloren geht.

Dies bedeutet, dass beim Kaltatom-Quantencomputing nach jeder Operation optische Pinzetten verwendet werden müssen, um neue neutrale Atome einzufangen, was den technischen Schwierigkeitsgrad erhöht und die Rechengeschwindigkeit verringert. Natürlich suchen Wissenschaftler auch aktiv nach wirksameren Wegen, um eine stabile Bindung neutraler Atome zu erreichen. Ich bin davon überzeugt, dass Quantencomputerlösungen auf Basis neutraler Atome in naher Zukunft in der Praxis glänzen werden.

Optisches Quantencomputing: Auch Photonen sind mit von der Partie

Das letzte natürliche Teilchen ist das Photon, ein physikalisches Konzept, das jedem vertraut und zugleich unbekannt ist. Photonen sind die Grundteilchen, aus denen Licht besteht. Sie bewegen sich in Form von Strahlen und können einige Medien wie Luft, Wasser und Glas durchdringen. Darüber hinaus tragen Photonen selbst keine elektrische Ladung, sodass es für sie schwierig ist, mit der Außenwelt zu interagieren.

Mit anderen Worten: Photonen sind keine materiellen Teilchen in unserem traditionellen Sinne, sondern eine Art Elementarteilchen, die sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen.

Photon

(Bildquelle: Astronomie)

Wenn sich ein Photon im Raum ausbreitet, bewegt es sich mit Lichtgeschwindigkeit und einer bestimmten inhärenten Schwingungsfrequenz vorwärts. Wenn die Schwingungsbahn des Photons auf einer zweidimensionalen Ebene aufgetragen wird, ähnelt sie der Sinusfunktion, die wir im Mathematikunterricht der Mittelstufe gelernt haben. Diese zweidimensionale Ebene stellt einen bestimmten Polarisationszustand des Photons dar.

Bedenkt man jedoch, dass sich die Schwingungsrichtung eines sich im dreidimensionalen Raum ausbreitenden Photons kontinuierlich ändern kann, bedeutet dies, dass ein Photon unterschiedliche Polarisationszustände haben kann. Wenn wir direkt vor der Bewegung des Photons stehen und es beobachten, werden wir feststellen, dass die Flugbahn der Photonenschwingung eine horizontale Gerade (horizontale Polarisation), eine vertikale Gerade (vertikale Polarisation), ein nahezu perfekter Kreis (zirkulare Polarisation) usw. sein kann.

Polarisationszustandsdiagramm

(Bildquelle: Wikipedia)

Im optischen Quantencomputerschema nutzen Wissenschaftler die wunderbare Eigenschaft des „Polarisationszustands“ von Photonen, um optische Quantenbits zu konstruieren. Insbesondere kann der horizontale Polarisationszustand als 0 und der vertikale Polarisationszustand als 1 kodiert werden, wodurch die Konstruktion eines einzelnen optischen Quantenbits abgeschlossen wird.

Um den Polarisationszustand von Photonen präzise zu manipulieren und zu messen, können optische Geräte wie Polarisationsstrahlteiler und Wellenplatten experimentell verwendet werden, um Rechenoperationen an optischen Quantenbits durchzuführen.

USTC hat erfolgreich den Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang-2“ mit 113 Photonen entwickelt

(Bildquelle: ustc.edu.cn)

Die optische Quantencomputerlösung bietet drei offensichtliche Vorteile:

Erstens interagieren Photonen selbst grundsätzlich nicht mit der äußeren Umgebung, sodass sie natürliche Isolationseigenschaften besitzen und in Umgebungen mit hohem Rauschen ungestört bleiben können. zweitens können sich Photonen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und sind bei Raumtemperatur und atmosphärischen Bedingungen mit guter experimenteller Funktionsfähigkeit funktionsfähig. Drittens kann die Ausbreitung von Photonen weiter mit optischen Geräten wie Glasfasern integriert werden, wodurch eine Miniaturisierung des Systems erreicht und ein miniaturisiertes optisches Quantensystem bei Raumtemperatur aufgebaut werden kann.

Aufgrund der Besonderheit der Photonen selbst können optische Quantencomputersysteme Photonen jedoch nicht effektiv mit extrem hohen Übertragungsgeschwindigkeiten speichern. Zudem können schwache Photonen bei der Übertragung über Glasfaser sehr leicht verloren gehen. Da zudem keine Wechselwirkung zwischen Photonen stattfindet, ist es auch schwierig, die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Photonen und die entsprechenden Quantengatteroperationen experimentell zu erreichen.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das natürliche Zwei-Niveau-System aufgrund seiner natürlichen Zuverlässigkeit und Stabilität zum Aufbau von Quantenbits verwendet werden kann und somit den verschränkten Zustand von 0/1 darstellt. Durch die Steuerung und das Lesen dieser Zwei-Ebenen-Systeme können Interaktionen zwischen verschiedenen Quantenbits erreicht und so Algorithmen und Operationen im Quantencomputing realisiert werden.

Natürlich bleibt der Bau eines Quantencomputers im großen Maßstab eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe, aber die Verwendung natürlicher Zwei-Ebenen-Systeme bringt das Gebiet Schritt für Schritt voran. Tatsächlich glauben viele Wissenschaftler, dass natürliche Zwei-Ebenen-Systeme einer der vielversprechendsten Ansätze für den Bau großer Quantencomputer sind. Daher wird das natürliche Zwei-Ebenen-System häufig im Quantencomputing verwendet und ist zur „ersten Armee“ auf dem Gebiet des Quantencomputings geworden.

Welche spannenden Leistungen werden also andere Akteure im Bereich des Quantencomputings erbringen? Lassen Sie mich Sie hier auf die Folter spannen und lassen Sie uns im nächsten Kapitel mehr darüber erfahren!

Herausgeber: Sun Chenyu