Nature veröffentlicht große Fortschritte im Quantencomputing: die erste Implementierung eines integrierten Quantenschaltkreises überhaupt

Am 23. Juni gab das australische Quantencomputerunternehmen SQC (Silicon Quantum Computing) die Einführung des weltweit ersten integrierten Quantenschaltkreises bekannt. Hierbei handelt es sich um einen Schaltkreis, der alle Grundkomponenten eines klassischen Computerchips enthält, jedoch auf Quantenskala.

Das SQC-Team nutzte diesen Quantenprozessor, um den Quantenzustand eines organischen Polyacetylenmoleküls genau zu simulieren – und demonstrierte damit schließlich die Wirksamkeit der neuen Quantensystemmodellierungstechnik.

„Das ist ein großer Durchbruch“, sagte SQC-Gründerin Michelle Simmons. Heutige klassische Computer haben aufgrund der Vielzahl möglicher Wechselwirkungen zwischen Atomen Schwierigkeiten, selbst relativ kleine Moleküle zu simulieren. Die Entwicklung der Schaltkreistechnologie im atomaren Maßstab von SQC wird es dem Unternehmen und seinen Kunden ermöglichen, Quantenmodelle einer Reihe neuer Materialien zu erstellen, seien es Medikamente, Batteriematerialien oder Katalysatoren. Es wird nicht mehr lange dauern, bis wir mit der Realisierung neuer Materialien beginnen, die es so noch nie gab. „

Die Forschungsergebnisse wurden in der neuen Ausgabe des Magazins „Nature“ veröffentlicht.

Link zum Papier: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

Die Replikation eines klassischen Computers auf Quantenebene

ist ganz normal (klassische) Computer, Quantencomputer verwenden Transistoren, um Informationen zu kodieren. Doch anders als bei einem klassischen Computer liegen die Transistoren eines Quantencomputers auf der Quantenskala – so klein wie die Größe eines Atoms. Klassische Computer verwenden die Bits 0 und 1, während Quantentransistoren 0, 1 oder eine Mischung aus 0 und 1 verwenden, um Quanteninformationen zu kodieren.

Ingenieure können die Quanteneffekte von Einzelatomtransistoren nutzen, um Berechnungen durchzuführen. Aber in der Quantenwelt liegen die Dinge nicht so einfach.

In der Quantenwelt existieren Teilchen in Form von „Überlagerungszuständen“ – ihre Position, ihr Impuls und andere physikalische Eigenschaften werden nicht durch einzelne Werte definiert, sondern durch Wahrscheinlichkeiten dargestellt. Durch Überlagerung können Qubits mehrdimensionale Rechendaten speichern, die viel komplexer sind als gewöhnliche Bits.

Daher wird erwartet, dass Quantencomputer Tausende oder sogar Millionen Mal schneller sind als klassische Computer und Berechnungen viel effizienter durchführen als selbst die leistungsstärksten klassischen Computer.

Sie haben jedoch noch andere magische Eigenschaften.

Wenn sich der Überlagerungszustand auf mehrere Systeme oder Atome erstreckt, erhält man einen „verschränkten Zustand“, das heißt, die Qubits stehen in Beziehung zueinander. Wenn sich Qubits verschränken, beeinflussen sich ihre Veränderungen gegenseitig. Es wird erwartet, dass dieser Quanteneffekt im Bereich der Verschlüsselung Anwendung findet.

Aber gleichzeitig bereitet dieser Effekt den Wissenschaftlern auch Probleme bei der Entwicklung brauchbarer Quantencomputer.

Das Fazit ist, dass Quantensysteme aufgrund ihrer probabilistischen Natur sehr fehleranfällig sind. Daher besteht eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Quantenmaschinen darin, sie kohärent zu machen, um das Rauschen im Signal zu reduzieren. Das SQC-Team glaubt, dieses Problem gelöst zu haben.

„Um einen Quantencomputer zu schaffen, müssen wir auf atomarer Ebene arbeiten, damit wir Quantenzustände erreichen und sie kohärent und schnell machen können“, sagte Michelle Simmons, Gründerin von SQC und korrespondierende Autorin des Artikels.

Korrespondierende Autorin des Artikels Michelle Simmons

Simmons‘ Team baute 2012 den weltweit ersten Einzelatomtransistor und schuf 2021 den ersten integrierten Schaltkreis im atomaren Maßstab. „Was wir im Auge haben, ist das nächste Gerät – bevor wir einen Quantencomputer bauen können, den Menschen nutzen können, müssen wir noch einen kommerziell relevanten Algorithmus lösen. Als wir anfingen, wussten wir nicht, was wir wollten.“ um es auf dieser Rennstrecke zu demonstrieren. „

Das Team hat sich für Polyacetylen entschieden – eine Molekülkette auf Kohlenstoffbasis mit der chemischen Formel (C2H2)n, wobei n für Wiederholung steht.

Polyacetylen-Strukturdiagramm

Die Atome in Polyacetylen werden durch kovalente Bindungen zusammengehalten. Eine Einfachbindung bedeutet, dass zwei Atome ein gemeinsames äußeres Elektron haben, und eine Doppelbindung bedeutet, dass zwei Atome ein gemeinsames äußeres Elektron haben. Der Wechsel von Einfach- und Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen in der Polyacetylenkette macht dieses Molekül zu einem interessanten Untersuchungsgegenstand in der physikalischen Chemie.

Das Su-Schrieffer-Heeger (SSH)-Modell ist eine bekannte Darstellung der Molekültheorie, die Wechselwirkungen zwischen Atomen und ihren Elektronen nutzt, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Verbindungen zu erklären. „Das ist ein bekanntes Problem, das mit einem klassischen Computer gelöst werden kann, weil es so wenige Atome enthält, dass ein klassischer Computer alle Wechselwirkungen bewältigen kann“, sagte Simmons. „Aber wir versuchen es jetzt mit einem Quantencomputer zu lösen.“ System Das Team macht, was es getan hat. Wie wäre es mit der Simulation von Polyacetylen auf einem Quantengerät?

„Wir haben den Prozessor selbst die Einzel- und Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen simulieren lassen“, erklärt Simmons. „Wir entwickeln ihn mit einer Präzision im Subnanometerbereich, um zu versuchen, chemische Bindungen innerhalb eines Siliziumsystems nachzuahmen Mit Hilfe von Atomtransistoren in der Maschine simulierten die Forscher kovalente Bindungen in Polyacetylen.

Laut SSH-Theorie gibt es in Polyacetylen zwei verschiedene Situationen, die „topologischen Zustände“ genannt werden – wegen ihrer unterschiedlichen geometrischen Formen „topologisch“ genannt. In einem Zustand können Sie das Glied an einer einzelnen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung durchtrennen, sodass am Ende der Kette eine Doppelbindung entsteht. Alternativ können Sie die Doppelbindung abschneiden und am Ende der Kette eine Einfachbindung zurücklassen, die aufgrund des längeren Abstands der Einfachbindung die Atome an beiden Enden trennt. Die beiden topologischen Zustände zeigen völlig unterschiedliche Verhaltensweisen, wenn elektrischer Strom durch die Molekülkette fließt.

Das ist die Theorie. „Wenn wir das Gerät bauen, sehen wir genau das“, sagte Simmons. „Es ist also sehr aufregend.“ Dr. Charles Hill, Dozent für Quantencomputing an der University of Melbourne, stimmt zu.

„Eines der vielversprechendsten Anwendungsszenarien für die Quantentechnologie ist die Verwendung eines Quantensystems zur Simulation anderer Quantensysteme“, sagte Hill. „In dieser Arbeit haben die Autoren eine Kette von zehn Quantenpunkten betrachtet und diese verwendet.“ das sogenannte SSH-Modell zu simulieren. Das für diese Demonstration verwendete Quantengerät ebnet den Weg für die Simulation größerer und komplexerer Quantensysteme in der Zukunft. Laut Simmons besteht das darin, dass man „kein neues Material erschafft, das man erfinden und herausfinden muss, wie man es herstellt“.

„Wir verfügen über eine atomare Präzision im Subnanometerbereich“, fügte sie hinzu. „Die Atome selbst befinden sich in der Siliziummatrix, daher bauen wir das System aus Materialien auf, die bereits in der Halbleiterindustrie verwendet werden.“

„Das Ganze. Es gibt nur zwei Arten von Atomen im Gerät – Phosphor und Silizium. Wir haben alle anderen Dinge entfernt, alle Schnittstellen, die Dielektrika, alle Dinge, die in anderen Architekturen Probleme verursachen. Vom Konzept her ist es einfach, aber offensichtlich eine Herausforderung. Sex ist ein wunderschönes, sauberes, physisches und skalierbares System Der chemische Prozess, der die Phosphoratome in die Siliziummatrix bringt und sie schützt, ist die Rastertunnelmikroskopie (STM), ein Fotolithographiegerät, das die Siliziumplatte zunächst auf 1100 °C erhitzt und kühlte es dann allmählich auf etwa 350 °C ab, wodurch eine flache zweidimensionale Siliziumoberfläche entstand. Anschließend wird das Silizium mit Wasserstoffatomen bedeckt, die mit einer STM-Spitze selektiv und einzeln entfernt werden können. Phosphoratome werden in neu entstandene Lücken in der Schicht aus Wasserstoffatomen platziert, bevor das Ganze mit einer weiteren Schicht aus Silizium bedeckt wird.

SQC-Quantengerät, modelliert auf atomarer Skala

„Das bedeutet, dass wir jeweils nur ein Gerät bauen können“, gab Simmons zu, „aber ich stelle es mir wie eine Schweizer Uhr vor – es kann sehr sein.“ Präzision muss von Hand hergestellt werden. Um ein skalierbares System zu erstellen, ist diese Art von Präzision erforderlich, und ohne ausreichende Präzision fällt es Ihnen schwer, einen Quantenzustand aufzubauen, weil Sie nicht wissen, was Sie haben Der Punkt ist: Ja, es ist langsamer, aber Sie wissen, was Sie erwartet.“ Sobald das Gerät gebaut ist, wird der vom Forschungsteam gewählte Algorithmus von „historischer Bedeutung“ sein.

„Analoge Algorithmen waren seit den 1950er Jahren Richard Feynmans Traum“, erklärt Simmons. „Wenn man verstehen will, wie die Natur funktioniert, muss man sie auf dieser Längenskala aufbauen. Können wir die Einzel- und Doppelbindungen eines Kohlenstoffmoleküls mit Subnanometer-Genauigkeit modellieren? Tatsächlich finden wir uns selbst, anstatt ein einzelnes Atom zur Simulation zu verwenden.“ Neben einem Kohlenstoffatom wurden 25 Phosphoratome verwendet. Das Team stellte fest, dass sie den Elektronenfluss entlang der Verbindung steuern konnten.

„Sie haben also individuelle und lokale Kontrolle und erweiterte Kontrollmöglichkeiten“, sagte Simmons. „Wir haben gezeigt, dass eine 10-Punkt-Verbindung mit nur sechs Elektroden implementiert werden kann. Dies ist für die Skalierung sehr nützlich „Dann möchte man immer weniger Gatter bauen, sonst wird es schlecht skaliert.“ Das neue Gerät entspricht nicht nur der SSH-Theorie, sondern Simmons glaubt auch, dass Quantencomputer bald anfangen werden, über die derzeit optimale Theorie hinaus zu simulieren. Problem. „Es öffnet die Tür zu Dingen, die wir uns noch nie vorgestellt haben, was sowohl beängstigend als auch aufregend ist“, sagte sie.

Das Gerät weist ähnliche Mängel wie andere Quantencomputer auf – insbesondere die Notwendigkeit eines riesigen Kühlsystems, um die Betriebstemperatur nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten, was viel Energie und Kosten erfordert.

Aufgrund der Geschäftsgeheimnis blieb Simmons nach der ersten Präsentation verschwiegen über die Projekte, an denen SQC arbeitete. Dennoch sagte sie: „Wir wollen es auf so viele verschiedene Dinge wie möglich anwenden und sehen, was wir finden.“ „

Das SQC-Team hinter dem Nature-Papier

„Die Tatsache, dass wir Elektronen kohärent über die gesamte Verbindung bekommen können, sagt uns, dass es sich um ein sehr quantenkohärentes System handelt“, so das Ergebnis „Wir sind davon überzeugt, dass das physikalische System sehr stabil ist“, sagte sie. „Es ist ein Beweis für die Reinheit des Systems, dass es viele verschiedene Wege gehen kann. Die Entwicklung größerer physikalischer Systeme ist definitiv einer davon.“ ist eine andere Sache.“ Simmons beschreibt die Arbeit als „eine Reise“, die einen interdisziplinären Charakter zeige – Quantenphysiker, Chemiker, Ingenieure und Softwareentwickler sind alle beteiligt. „Das ist ein spannendes Feld für junge Leute“, sagte sie. „Dies ist ein Fall, in dem sich ein grundlegendes wissenschaftliches Forschungsprojekt zu einem praktischen Werkzeug entwickelt hat.“

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