Wissenschaftler haben das bisher größte und komplexeste Quantencomputernetzwerk geschaffen und 20 verschiedene verschränkte Quantenbits oder Qubits dazu gebracht, miteinander zu sprechen.
Das Team konnte dann die in all diesen sogenannten Qubits enthaltenen Informationen vorlesen und einen Prototyp des Quanten- "Kurzzeitgedächtnisses" für den Computer erstellen. Während frühere Bemühungen größere Gruppen von Partikeln in ultrakalten Lasern verwickelt haben, konnten Forscher zum ersten Mal bestätigen, dass sie sich tatsächlich in einem Netzwerk befinden.
Ihre Studie, die am 10. April in der Zeitschrift Physics Review X veröffentlicht wurde, bringt Quantencomputer auf ein neues Niveau und nähert sich dem sogenannten "Quantenvorteil", bei dem Qubits die klassischen Teile von Computern auf Siliziumchipbasis übertreffen, sagten die Forscher .
Von Bits zu Qubits
Traditionelles Computing basiert auf einer Binärsprache von 0 und 1 - einem Alphabet mit nur zwei Buchstaben oder einer Reihe von Globen, die entweder zum Nord- oder Südpol gedreht werden. Moderne Computer verwenden diese Sprache, indem sie den Stromfluss durch Metall- und Siliziumschaltungen senden oder stoppen, die magnetische Polarität umschalten oder andere Mechanismen verwenden, die einen doppelten Ein- oder Ausschaltzustand haben.
Quantencomputer verwenden jedoch eine andere Sprache - mit einer unendlichen Anzahl von "Buchstaben".
Wenn binäre Sprachen den Nord- und Südpol der Globen verwenden, würde das Quantencomputing alle Punkte dazwischen verwenden. Das Ziel des Quantencomputers ist es, auch den gesamten Bereich zwischen den Polen zu nutzen.
Aber wo könnte eine solche Sprache geschrieben werden? Es ist nicht so, dass man Quantenmaterie im Baumarkt findet. Daher hat das Team Calciumionen mit Laserstrahlen eingefangen. Durch Pulsieren dieser Ionen mit Energie können sie Elektronen von einer Schicht zur anderen bewegen.
In der Physik der High School springen Elektronen zwischen zwei Schichten wie ein Auto, das die Fahrspur wechselt. In Wirklichkeit existieren Elektronen jedoch nicht an einem Ort oder in einer Schicht - sie existieren in vielen gleichzeitig, ein Phänomen, das als Quantenüberlagerung bekannt ist. Dieses seltsame Quantenverhalten bietet die Möglichkeit, eine neue Computersprache zu entwickeln, die unendliche Möglichkeiten nutzt. Während beim klassischen Rechnen Bits verwendet werden, werden diese Calciumionen in Überlagerung zu Quantenbits oder Qubits. Während frühere Arbeiten zuvor solche Qubits erzeugt hatten, besteht der Trick bei der Herstellung eines Computers darin, diese Qubits dazu zu bringen, miteinander zu sprechen.
"Es ist nicht wirklich das, woran Sie interessiert sind, all diese einzelnen Ionen alleine zu haben", sagte Nicolai Friis, Erstautor des Papiers und leitender Forscher am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien, gegenüber Live Science. "Wenn sie nicht miteinander sprechen, können Sie mit ihnen nur eine sehr teure klassische Berechnung durchführen."
Reden
Um die Qubits in diesem Fall zum "Sprechen" zu bringen, stützte man sich auf eine andere bizarre Konsequenz der Quantenmechanik, die Verschränkung. Verschränkung ist, wenn zwei (oder mehr) Teilchen koordiniert und abhängig zu arbeiten scheinen, selbst wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Die meisten Experten glauben, dass das Verwickeln von Partikeln der Schlüssel sein wird, wenn Quantencomputer vom Laborexperiment zur Computerrevolution katapultieren.
"Vor zwanzig Jahren war die Verschränkung zweier Teilchen eine große Sache", sagte Studienkoautor Rainer Blatt, Physikprofessor an der Universität Innsbruck in Österreich, gegenüber Live Science. "Aber wenn man wirklich einen Quantencomputer bauen will, muss man nicht nur mit fünf, acht, 10 oder 15 Qubits arbeiten. Am Ende müssen wir mit vielen, vielen weiteren Qubits arbeiten."
Dem Team gelang es, 20 Teilchen zu einem kontrollierten Netzwerk zusammenzuführen - immer noch nicht ein echter Quantencomputer, aber das größte Netzwerk dieser Art bis heute. Und obwohl sie noch bestätigen müssen, dass alle 20 vollständig miteinander verflochten sind, ist dies ein solider Schritt in Richtung der Supercomputer der Zukunft. Bis heute haben Qubits die klassischen Computerbits nicht übertroffen, aber Blatt sagte, dass der Moment - oft als Quantenvorteil bezeichnet - kommt.
"Ein Quantencomputer wird klassische Computer niemals ersetzen, er wird sie ergänzen", sagte Blatt. "Diese Dinge können getan werden."
