Neues Modell für stabilere Quantencomputer

Neues Modell für stabilere Quantencomputer

BILD: Manuel Grimm ist theoretischer Physiker am Paul Scherrer Institut und arbeitet an den Grundlagen für den Bau zukünftiger Quantencomputer. Aussicht Mehr

Bildnachweis: Paul Scherrer Institut / Markus Fischer

Forscher des Paul Scherrer Institute PSI haben einen detaillierten Plan entwickelt, wie schnellere, besser definierte Quantenbits – Qubits – erzeugt werden können. Die zentralen Elemente sind magnetische Atome der Klasse der sogenannten Seltenerdmetalle, die selektiv in das Kristallgitter eines Materials implantiert würden. Jedes dieser Atome repräsentiert ein Qubit. Forscher haben gezeigt, wie diese Qubits aktiviert, verwickelt, als Speicherbits verwendet und gelesen werden können. Sie haben nun ihr Designkonzept und unterstützende Berechnungen in der Zeitschrift veröffentlicht PRX-Datei.

Auf dem Weg zu Quantencomputern besteht eine anfängliche Anforderung darin, sogenannte Quantenbits oder “Qubits” zu erzeugen: Speicherbits, die im Gegensatz zu herkömmlichen Bits nicht nur Binärwerte von Null und Eins, sondern auch eine beliebige Kombination annehmen können. dieser Staaten. “Damit wird eine völlig neue Art der Datenverarbeitung und Datenverarbeitung möglich, die für bestimmte Anwendungen eine enorme Beschleunigung der Rechenleistung bedeutet”, erklärt PSI-Forscher Manuel Grimm, Erstautor eines neuen Artikels zum Thema Qubits.

Die Autoren beschreiben, wie logische Bits und grundlegende Computeroperationen an ihnen in einem magnetischen Festkörper ausgeführt werden können: Qubits würden sich auf einzelnen Atomen der Seltenerdelementklasse befinden, die in das Kristallgitter eines Wirtsmaterials eingebettet sind. Basierend auf der Quantenphysik berechnen die Autoren, dass der Kernspin von Seltenerdatomen zur Verwendung als Informationsträger, d. H. Als Qubit, geeignet wäre. Sie schlagen ferner vor, dass die gezielten Laserpulse vorübergehend Informationen auf die Elektronen im Atom übertragen und so die Qubits aktivieren könnten, so dass ihre Informationen für die umgebenden Atome sichtbar werden. Zwei dieser aktivierten Qubits kommunizieren miteinander und können daher “verwickelt” werden. Die Verschränkung ist eine spezielle Eigenschaft von Quantenpartikelsystemen oder mehreren Qubits, die für Quantencomputer wesentlich ist: Das Messergebnis eines Qubits hängt direkt von den Messergebnissen anderer Qubits ab und umgekehrt.

Schneller bedeutet weniger fehleranfällig

Die Forscher zeigen, wie diese Qubits zur Erzeugung von Logikgattern verwendet werden können, einschließlich des “UNControlled Gate” (CNOT-Gate). Logikgatter sind die Grundbausteine, mit denen klassische Computer auch Berechnungen durchführen. Wenn genug solche CNOT-Gatter sowie ein Qubit-Gatter kombiniert werden, werden alle denkbaren Rechenoperationen möglich. Sie bilden somit die Basis von Quantencomputern.

Dieser Artikel ist nicht der erste, der Quantenlogikgatter vorschlägt. „Unsere Methode zur Aktivierung und Verschränkung von Qubits hat jedoch einen entscheidenden Vorteil gegenüber früheren vergleichbaren Vorschlägen: Sie ist mindestens zehnmal schneller“, sagt Grimm. Der Vorteil ist jedoch nicht nur die Geschwindigkeit, mit der ein auf diesem Konzept basierender Quantencomputer berechnen könnte; Es geht vor allem um die Fehleranfälligkeit des Systems. “Qubits sind nicht sehr stabil. Wenn die Verschränkungsprozesse zu langsam sind, besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, dass einige der Qubits in der Zwischenzeit ihre Informationen verlieren”, sagt Grimm. Letztendlich fanden die PSI-Forscher eine Möglichkeit, diese Art von Quantencomputer nicht nur mindestens zehnmal schneller als vergleichbare Systeme zu machen, sondern auch um denselben Faktor weniger fehleranfällig zu sein.

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Text: Paul-Scherrer-Institut / Laura Hennemann

Über PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt große und komplexe Forschungseinrichtungen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinschaft zur Verfügung. Die Forschungsschwerpunkte des Instituts liegen in den Bereichen Materie und Materialien, Energie und Umwelt sowie menschliche Gesundheit. PSI engagiert sich für die Ausbildung künftiger Generationen. Infolgedessen sind rund ein Viertel unserer Mitarbeiter Post-Docs, Postgraduierte oder Auszubildende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2.100 Mitarbeiter und ist damit das größte Forschungsinstitut der Schweiz. Das Jahresbudget beträgt rund 400 Millionen Franken. Das PSI ist Teil der ETH-Domäne, die anderen Mitglieder sind die beiden Eidgenössischen Technischen Hochschulen ETH Zürich und EPFL Lausanne sowie die Eawag (Eidgenössische Eidgenössische Hochschule für aquatische Wissenschaften und Technologien), die Empa (Eidgenössische Laboratorien) für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie) und WSL (Eidgenössische Hochschule für Wald-, Schnee- und Landschaftsforschung).

Weitere Informationen

„Jetzt ist die Zeit für etwas Neues“ – Interview am 30. Januar 2019 mit Gabriel Aeppli und Christian Rüegg über neue Lösungen für bessere Computer und Datenspeichersysteme.
http: // psi.CH /ug78

Kontakt

Manuel Grimm

Theoriegruppe für kondensierte Materie

Paul Scherrer Institut, Forschungsstraße 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz

Telefon: +41 56 310 27 78;
E-Mail: [email protected] [German, English]

Originalveröffentlichung

Universelles Quantencomputing unter Verwendung der elektronenkernförmigen Wellenfunktionen von Seltenerdionen

M. Grimm, A. Beckert, G. Aeppli, M. Müller

Wie PRX 21. Januar 2021 (online)

DOI: 10.1103 / PRXQuantum.2.010312

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