Atom-Arrays erweisen sich als überraschender Kandidat für das Quantencomputing

Der lang erwartete nächste Durchbruch in der Datenverarbeitung wird voraussichtlich von sogenannten Quantencomputern ausgehen, die mithilfe von Quantenphänomenen zu einer schnelleren Verarbeitung und einer radikal verbesserten Datenspeicherung führen. Nun hat ein Physiker an der Havard University ein bemerkenswertes und einzigartiges System zusammengestellt, auf das möglicherweise der Durchbruch des Quantencomputers gewartet hat.

Das vielleicht Außergewöhnlichste an dem System, das Harry Levine und sein Team unter der Leitung von Mikhail Lukin in seinem kleinen Kellerlabor an der Universität gebaut haben, ist, dass keine Prozessorchips beteiligt sind. Levines Computer wird von 51 Rubidiumatomen angetrieben, die in einer Glaszelle gespeichert sind. Diese Atome werden durch einen Laser, der in 51 Strahlen aufgeteilt ist, einzeln aufgereiht.

Die Atome werden von weiteren Lasern fast bewegungslos gebremst, während ein anderer Satz von Lasern es dem Benutzer ermöglicht, die Atome zur Interaktion anzuregen. Aus diesen Wechselwirkungen können Berechnungen durchgeführt werden.

Der Versuchsaufbau von Levine und seinem Harvard-Team (Levine, Keesling, Omran)

Der Vorteil eines Quantencomputers ist die Fähigkeit eines Quantensystems, sich in einer Überlagerung von Zuständen zu befinden. Dies bedeutet, dass während ein normales "Bit" nur zwei mögliche Zustände haben kann - 0 oder 1 -, ein Qubit in einer Überlagerung von Zuständen gleichzeitig für Einsen und Nullen kodieren kann.

Wenn vergrößert, sollte dieses Setup herkömmliche Computer bei weitem übertreffen.

Selbst unter Quantencomputern ist diese Konfiguration bemerkenswert. Die meisten bisher untersuchten Qubits wurden auf Silizium-, supraleitenden Draht- und Halbleiterstrukturen aufgebaut, die als Quantenpunkte bekannt sind. Diese Arbeit baut auf neueren Forschungen auf, bei denen neutrale Atome zur Bildung von Qubits verwendet werden.

Bisher wurde angenommen, dass neutrale Atome aufgrund ihrer fehlenden elektrischen Ladung eine schlechte Wahl für Qubits sind und daher nicht leicht mit anderen Atomen interagieren. Physiker können diese Schwierigkeit überwinden, indem sie mithilfe von speziell zeitgesteuerten Laserstrahlen das äußerste Elektron eines Atoms anregen und aus dem Atomkern in den sogenannten Rydberg-Zustand befördern. Dadurch wird die Größe des Atoms massiv vergrößert.

V. Altounian (Wissenschaft)

In diesem Rydberg-Zustand verhält sich das Atom eher wie ein Ion, ein Atom, von dem Elektronen abgestreift wurden, was bedeutet, dass es wahrscheinlicher ist, dass es elektromagnetisch mit benachbarten Atomen wechselwirkt. Die Wechselwirkung verhindert insgesamt, dass diese benachbarten Atome selbst in einen Rydberg-Zustand eintreten.

Dies verleiht den Atomen einen verschränkten Zustand, den Zustand, der zur Durchführung von Quantenberechnungen erforderlich ist. Eine Messung an einem der Atome kollabiert die Überlagerung, die entsteht, wenn sich ein Atom im Rydberg-Zustand befindet und das andere nicht.

Der Vorteil von neutralen Atomen besteht darin, dass sie alle identisch sind, in einem viel engeren Raum untergebracht werden können als Qubits auf Siliziumbasis und auch nicht bei extrem kalten Temperaturen gehalten werden müssen, wie dies bei supraleitenden Qubits der Fall ist. Da neutrale Atome weniger wahrscheinlich miteinander interagieren, bedeutet dies auch, dass sie weniger wahrscheinlich miteinander interferieren und die gespeicherte Quanteninformation verlieren.

Somit bieten neutrale Atome den Vorteil der Skalierbarkeit und einer besseren Gesamtleistung.

Lukins Arbeit wurde in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und demonstrierte die Fähigkeit, ein Zwei-Rubinium-Logikgatter mit einer Genauigkeit von 97% zu programmieren. Dies bedeutet, dass die Rydberg-Methode zur Erzeugung von Qubits nahe an der Genauigkeit supraleitender Qubits liegt, die derzeit bei 99% liegt.

Darüber hinaus hat eine weitere Studie, die zur gleichen Zeit veröffentlicht wurde, die Vielseitigkeit von Rydberg-Qubits unterstützt.

Ein Team französischer Forscher veröffentlichte in der September-Ausgabe von Nature eine Studie, in der sie eine bemerkenswerte Kontrolle über ein 3D-Array mit 72 neutralen Atomen nachweisen konnten. Sie waren in der Lage, die Atome auf eine Weise dicht zu packen, die mit Ionen nicht möglich ist, da sich letztere aufgrund ihrer gleichen Ladung gegenseitig aufheben.

Während Levine der Meinung ist, dass das von ihm mitgestaltete System der Telekommunikationsbranche zugute kommen wird, sind andere weniger überzeugt.

"Im Vergleich zu anderen Qubits bleiben neutrale Atome in der Regel nicht stehen", sagte Varun Vaidya, Physiker bei Xanadu, einem Quantencomputerunternehmen, gegenüber Science. Dies bedeutet, dass Systeme mit neutralen Atomen möglicherweise nicht für längere Aufgaben geeignet sind, da ihre Stabilität fehlt.

Es steht außer Frage, dass noch eine Vielzahl von Fragen zum Potenzial des Quantencomputers und zur Bereitstellung des besten Qubits offen sind. Rydberg-Systeme liefern möglicherweise die erforderlichen Antworten.

Bemerkungen

Ursprünglich veröffentlicht bei sciscomedia.co.uk am 29. September 2018.