Der weltweit erste Raumtemperatur-Quantencomputer kommt auf den Markt! Es ist kein absoluter Nullpunkt erforderlich, der Hauptkern ist tatsächlich „mit Diamanten besetzt'.

Quantencomputing ist derzeit einer der spannendsten (und gehyptesten) Forschungsbereiche. In dieser Hinsicht hat das deutsch-australische Startup Quantum Brilliance kürzlich Großes geleistet. Der weltweit erste diamantbasierte Raumtemperatur-Quantencomputer wurde erfolgreich im fernen Ozeanien installiert!

Der weltweit erste kommerzielle Raumtemperatur-Quantencomputer

Einfach ausgedrückt: Der Quantencomputer von Quantum Brilliance benötigt keinen absoluten Nullpunkt oder ein komplexes Lasersystem. Warum lohnt es sich also, über die Raumtemperatur zu sprechen?

Die Grundidee eines Quantencomputersystems besteht darin, dass Qubits in einem Zustand sein können, der nicht nur „1“ oder „0“ ist, sondern in einer Kombination, die als „Überlagerungszustand“ bezeichnet wird. Das bedeutet, dass sich zwei Qubits im Überlagerungszustand „01“, „10“, „11“ und „00“ befinden können und somit mehr Zustände und Daten darstellen.

Aber hier kommt das Problem: Diese Systeme reagieren immer noch sehr empfindlich auf ihre Umgebung. Sie können einen bestimmten Überlagerungszustand nur für eine sehr begrenzte Zeit aufrechterhalten, nämlich die „Kohärenzzeit“. Ist die Kohärenzzeit begrenzt, kann es zu Fehlern in den Berechnungen des Qubits kommen.

Bei herkömmlichen Quantencomputern sind spezielle Kühlmethoden erforderlich, um die Quantenkohärenz sicherzustellen, bei Raumtemperatur-Quantencomputern kann dieser Schritt jedoch entfallen. Quantenkohärenz, also die Tatsache, dass sich Teilchen wie Wellen verhalten müssen, ist die Grundlage aller Quanteneffekte.

Wie erreicht Pawsey also den Raumtemperaturbetrieb von Quantencomputern?

Hier geht es um die einzigartige Quantencomputing-Methode von Quantum Brilliance.

Sie nutzten die natürlich vorkommenden Stickstofflochzentren in synthetischem Diamant, ohne herkömmliche Ionenketten, Silizium-Quantenpunkte oder supraleitende Übertragungs-Qubits zu verwenden.

Ein Stickstoffloch bezeichnet einen Defekt im Diamantgitter, das aus an das Loch angrenzenden Ersatzstickstoffatomen besteht.

Diese Stickstofflochzentren haben die Fähigkeit, Photolumineszenz zu erzeugen und können den Spin des Qubits basierend auf den Eigenschaften des emittierten Lichts lesen, ohne dass eine direkte Interaktion mit dem Qubit erforderlich ist. Viele Techniken wie Magnetfelder, elektrische Felder, Mikrowellenstrahlung und Licht können direkt zur Steuerung des Elektronenspins von Stickstofflöchern eingesetzt werden.

Diamantgitterstruktur mit Stickstofflöchern Laut dem zuvor veröffentlichten Whitepaper des Unternehmens besteht der bei Raumtemperatur betriebene Diamant-Quantencomputer aus einer Reihe von Prozessorknoten.

Jeder Prozessorknoten besteht aus einem Stickstoffloch (NV)-Zentrum und einer Ansammlung von Kernspins: dem intrinsischen Stickstoff-Kernspin und bis zu 4 benachbarten 13C-Kernspin-Verunreinigungen. Der Kernspin fungiert als Qubit des Computers und das Stickstoffloch dient als Quantenbus, der die Initialisierung und das Auslesen von Qubits sowie Multi-Qubit-Operationen innerhalb und zwischen Knoten vermittelt.

Die nachgewiesene Initialisierungs- und Auslesetreue übersteigt im Jahr 2021 99,6 %, während die Gating-Genauigkeit bei Einzel- und Doppel-Qubits 99,99 % bzw. 99 % übersteigt. Die entsprechende Gating-Zeit beträgt etwa 10 Mikrosekunden.

Einige Arbeiten haben gezeigt, dass bei Verwendung fortschrittlicherer Quantenkontrolltechnologie die Genauigkeit des Gates 99,999 % überschreiten und die Gate-Betriebszeit weniger als 1 Mikrosekunde betragen kann.

Aufgrund von Einschränkungen bei der Herstellung von Implantatmasken und der Streuung implantierter Ionen kann diese Genauigkeit mit bestehenden „Top-Down“-Stickstoffionenimplantationstechniken zur Schaffung von NV-Zentren nicht erreicht werden.

Eine der wichtigsten Erfindungen von Quantum Brilliance ist eine „Bottom-up“-Präzisionsdiamantenherstellungstechnologie auf atomarer Ebene, die die oben genannten Grenzen durch Oberflächenchemie und Photolithographie umgeht. Eine weitere wichtige Erfindung ist der integrierte Quantenchip, der die elektrischen, optischen und magnetischen Steuerungssysteme des Diamant-Quantencomputers miniaturisiert und integriert.

Allerdings verfügt das System laut Whitepaper nur über 5 Qubits, was sich von den 72 Qubits von Google unterscheidet Im Vergleich ist es offensichtlich noch weit weg.

Quantenbeschleuniger + Supercomputing =?

Mittlerweile werden die meisten Quantencomputerarbeiten in Simulationsumgebungen auf Plattformen wie IBMs Quiskit und Nvidias cuQuantum-Initiative durchgeführt. Darüber hinaus ist der aktuelle Mainstream von Quantencomputern die Größe von Großrechnern, die in der Regel mehrere Quadratmeter oder sogar die Größe eines Raumes einnehmen.

Das liegt daran, dass verschiedene Quantenhardware die Größe von Großrechnern begrenzt, da es sich um große Maschinen handelt, die extrem niedrige Temperaturen und/oder extrem niedrige Drücke und eine komplexe Steuerung erfordern Systeme zum Betrieb. Wenn es keine Raumtemperatur-Quantencomputer gibt, dann wird die Situation so aussehen, dass es in jedem Supercomputing- und Cloud-Computing-Einrichtungsgebiet der Welt mehrere Quanten-Mainframes gibt, es aber nicht möglich ist, sie im Ausmaß einer breiten Anwendung zu fördern. Durch den Einsatz von Raumtemperatur-Quantencomputern in Supercomputing-Zentren können Forscher die Rechenleistung, Wartung und Integration vor Ort wirklich nutzen.

Gleichzeitig mit Pawsey Supercomputing Die Zusammenarbeit des Forschungszentrums zielt auch darauf ab, die Paarung von Quanten- und klassischen Systemen zu beschleunigen, indem eine erste Hybridumgebung geschaffen wird, die Engpässe diagnostizieren und mögliche Verbesserungen der quantenklassischen Integration ermöglichen kann. Mark Stickells, Geschäftsführer von Pawsey, sagte, dass die Integration von Quantenbeschleunigern in die HPC-Architektur den 4.000 Forschern helfen werde, mehr darüber zu erfahren, wie die beiden Systeme zusammenarbeiten können. Dadurch entsteht ein Prüfstand, der praktische Anwendungen demonstrieren kann, damit unsere Forscher effizienter arbeiten können – was die Quantenwissenschaft voranbringt und die zukünftige Forschung beschleunigt. „Dies ist ein wichtiger Schritt in die Zukunft des Hybrid Computing.“

Mehr als 100 Millionen ausgeben: Singapur baut den ersten Quantencomputer #Am 31. Mai bei Asia Tech x Singapore Der stellvertretende Premierminister, Koordinierungsminister für Wirtschaftspolitik und Vorsitzende der Nationalen Forschungsstiftung Heng Swee Keat gab bekannt, dass das Quantum Engineering Program (QEP) offiziell gestartet wurde. Singapur wird drei nationale Plattformen vereinen, um Fähigkeiten in den Bereichen Quantencomputing, quantensichere Kommunikation und Herstellung von Quantengeräten zu entwickeln.

Laut Singapurs Plan für Forschung, Innovation und Unternehmen 2020 investiert der Plan 23,5 Millionen S$ (ca. 114 Millionen Yuan) in diese drei Plattformen für einen Zeitraum von maximal 3,5 Jahren Jahr. Diese Plattformen werden weiterhin von der gesamten Forschungsgemeinschaft unterstützt. Diese drei nationalen Quantenplattformen werden von der National University of Singapore (NUS), der Nanyang Technological University Singapore (NTU Singapore), der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) und dem National Supercomputing Centre of Singapore (NSCC) gehostet sind:

• National Quantum Computing Center – Entwicklung von Quantencomputing-Fähigkeiten und Erforschung von Anwendungen durch Branchenzusammenarbeit;
• National Quantum Fabless – Mikrofabrikationstechnologie zur Unterstützung von Quantengeräten und Grundlagentechnologien; Quantengesicherte Kommunikationstechnologie zur Verbesserung der Cybersicherheit kritischer Infrastrukturen.

National Quantum Computing Centre (NQCH)

NQCH wird die Teams des Centre for Quantum Technology (CQT) der National University of Singapore und der Nanyang Technological University sowie hochrangige Performance-Computing-Forschung von A*STAR (IHPC) und dem Singapore National Supercomputing Centre (NSCC) zum Aufbau eines Quantencomputing-Ökosystems in Singapur. National Quantum Fabless Fabric (NQFF)

National Quantum Fabless Fabric (NQFF) am A*STAR-Institut für Materialforschung und -technik (IMRE) wird die drei Säulen des Quantencomputings von QEP unterstützen: Mikro- und Nanofabrikation von Quanten Geräte in den Bereichen Kommunikation und Sensorik. Es werden auch unterstützende Geräte entwickelt, die den strategischen Bedürfnissen Singapurs im Quantentechnologie-Ökosystem entsprechen.

National Quantum Security Network (NQSN)

Das im Februar 2022 angekündigte NQSN wird landesweite Versuche mit quantensicherer Kommunikationstechnologie durchführen, um eine starke Cybersicherheit für kritische Infrastrukturen und Unternehmen zu gewährleisten, die mit sensiblen Daten umgehen. Die Initiative wird von CQT sowie der National University of Singapore und der Nanyang Technological University mit mehr als 15 privaten und staatlichen Partnern geleitet.

In diesem Zusammenhang kommentierte Professor José Ignacio Latorre, Direktor des CQT an der National University of Singapore und Hauptforscher des NQCH: „Das Quantencomputing kommt. Die Frage ist nicht, wann.“ , aber ‚Wer wird bereit sein?‘ Es ist gut, diese Technologie zu nutzen.“

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