Verlorene Quantencomputer im Rennen und ihre fatalen Fehler

Das Engineering beeinflusst die Geschwindigkeit schneller als die Physik

IBMs 16-Qubit-Quantencomputer von 2017

Im Oktober 2019 kündigte Google die Erreichung der Quantenüberlegenheit an - dieser große Name wurde jener Phase in der Entwicklung von Quantencomputern verliehen, in der nachgewiesen werden kann, dass sie zu dem fähig sind, was gewöhnliche nicht können. Die Aussage ist immer noch umstritten , und es könnte sich herausstellen, dass wir eine bessere Demonstration brauchen.

Ungeachtet dieser Aussage ist es interessant, dass sowohl Google als auch seine Kritiker von IBM dieselbe Basis als Grundlage für die Erstellung ihrer eigenen Quantencomputer gewählt haben. Wie ihr kleinerer Konkurrent Rigetti. All dies deutet darauf hin, dass sich die Landschaft des Quantencomputers in den letzten zehn Jahren mehr oder weniger stabilisiert hat. Jetzt sind wir in einer Position, in der wir die wahrscheinlichen Gewinner und bestimmte Verlierer auswählen können.

Warum bist du ein Verlierer?

Aber warum gewinnen und verlieren Gewinner?

Am Ende kommt es auf das Engineering an. Um einen praktischen Quantencomputer zu erstellen, müssen viele Quantenbits (Qubits) erstellt werden. Diese Qubits müssen für mehrere logische Operationen in einem Quantenzustand bleiben. Um diese Operationen auszuführen, müssen wir in der Lage sein, Qubits sowohl einzeln als auch in Gruppen (zumindest paarweise) zu manipulieren. Und natürlich müssen Sie das Ergebnis der Berechnung ablesen können.

Viele dieser Möglichkeiten wurden einzeln unter Verwendung von Qubits demonstriert, die in einer Flüssigkeit, in Rydberg-Atomen , in Bose-Einstein-Kondensaten (CBE), in Festkörpersystemen, stickstoffsubstituierten Leerstellen in Diamanten (NV-Zentren), Siliziumdefekten, eingeschlossenen Ionen angeordnet waren. in Licht und natürlich in supraleitenden Ringen. Dies ist eine unvollständige Liste, aber die meisten der aufgelisteten Funktionen sind aus zwingenden Gründen Sackgassen. Obwohl das Verhalten eines Qubits von den Gesetzen der Physik auf der Ebene einzelner Qubits bestimmt wird, wird es, sobald Sie über Skalierung nachdenken, zu einem sehr wichtigen Problem, ein System zu entwerfen, und es stellt sich heraus, dass viele dieser Optionen nicht sehr skalierbar sind.

Der Unfall ist schlimm

Zu Beginn dieses Jahrzehnts standen NV-Zentren, Siliziumleerstellen und Festkörpermaterialien an der Spitze des Rennens. Alle diese Materialien arbeiten nach ähnlichen Prinzipien: Eine geringe Menge an Verunreinigungsmaterial wird in den Kristall eingebracht. Stickstoff wird in Diamant eingebracht, Phosphor wird in Silizium eingebracht und Ytterbium wird in Yttrium-Aluminium-Granatkristalle eingebracht.

In jedem Material werden Qubits nach ähnlichen physikalischen Gesetzen gebildet. Das Schadstoffmaterial erfüllt nicht die Bindungsbedingungen benachbarter Atome, wodurch ein isoliertes Elektron oder ein positiv geladener Kern (Ion) verbleibt. Die Zustände dieser isolierten Objekte können als Qubits verwendet werden, und diese Zustände können sehr lange unverändert bleiben - oft sogar länger als ihre erfolgreicheren Rivalen.

Diese Technologien haben jedoch grundsätzliche Nachteile. Ein gutes Beispiel für Mängel sind die Diamond NV-Zentren. Jedes Qubit besteht aus einem Elektron in einem "suspendierten" Zustand, da der Stickstoff nicht an vier Kohlenstoffatome binden kann. Auf das Elektron wird (zum Lesen und Schreiben) durch das optische Verfahren zugegriffen. Daher besteht das erste Problem darin, mehrere isolierte Lücken im Kristall zu finden, die separat angegangen werden könnten. Optische Adressierung impliziert, dass diese Leerstellen zu weit voneinander entfernt sind, um direkt gepaart zu werden, sodass Operationen mit Qubits und deren Verschränkung durch optische und Mikrowellenphotonen durchgeführt werden müssen. Leider passt die Mikrowellenstrahlung zu allen Qubits, wodurch die Genauigkeit, mit der sie gesteuert werden kann, verringert wird.

Schlimmer noch, alle offenen Stellen sind unterschiedlich. Die Quanteneigenschaften einer Vakanz werden durch die spezifische Position und Art der sie umgebenden Atome bestimmt. Beispielsweise weisen in Diamant zwei gewöhnliche Kohlenstoffisotope einen so großen Unterschied auf, dass das Vorhandensein von Kohlenstoff-13 den Betrieb von Qubits in der Nähe beeinträchtigt. Um Qubits gleich zu machen, müssen lokale Magnetfelder angelegt werden, die die Energieniveaus von Qubitzuständen ändern. Zu diesem Zweck müssen relativ hohe Ströme durch die in der Nähe verlaufenden Drähte geleitet werden, während diese Effekte gleichzeitig isoliert werden, damit sie andere Qubits nicht beeinträchtigen.

In der Tat werden alle Computer mit Diamant-Chips unterschiedlich sein, sie werden eine unterschiedliche Anordnung von Qubits mit unterschiedlichen Eigenschaften haben. Die Verdrahtung, um sicherzustellen, dass lokale Magnetfelder lokal genug bleiben, um einzelne Qubits zu beeinflussen, scheint wahnsinnig komplex zu sein. Und dann müssen Sie winzige Anordnungen von Linsen (direkt auf der Oberfläche des Diamanten) platzieren, um alle Qubits mit der Außenwelt zu verbinden. Ein kleiner, deprimierter Teil meines Gehirns, der die Technik versteht, schreit lautlos bei dem bloßen Gedanken daran.

Fast alle Qubit-Systeme, die auf offenen Stellen basieren, haben ähnliche Probleme, daher hören wir heute weniger davon.

Festkörpersysteme, an die es sich zu erinnern gilt

Bei Ionen im Kristall, wie Ytterbium in einem Kristall aus Yttrium-Aluminium-Granat, ist alles etwas anders. Hier wird der Quantenzustand normalerweise nicht in einem einzelnen Ytterbiumion gespeichert. Stattdessen ist der Zustand über die Ionenpopulation verteilt, was das System unglaublich stark macht - dies sind einige der langlebigsten Quantenzustände. Dies macht es jedoch schwierig, den Ort des Qubits zu bestimmen. Schließlich wird die Position durch die Optik bestimmt, die das Licht fokussiert, mit dem Quantenzustände aufgezeichnet und gelesen werden.

Tatsächlich wird der Zustand von Qubits durch Lichtimpulse bestimmt, die mit vielen Ionen im Kristallkörper interagieren. Um mit einer ausreichend großen Anzahl von Qubits zu arbeiten, ist ein sehr komplexes optisches System erforderlich. Und dies auch ohne Berücksichtigung der Notwendigkeit, Qubits verwickeln und logische Operationen ausführen zu können. Auch hier trägt die Schaltung nicht zur Schaffung eines vollwertigen Quantencomputers bei. Andererseits sind diese Kristalle perfekt für die Rolle von Quantenspeicherzellen geeignet und können in diesen begrenzten Rahmen immer noch Anwendung finden.

Neutralität = Gleichgültigkeit

Wenn wir uns noch weiter von praktischen Ansätzen entfernen, stoßen wir auf exotischere Optionen - Rydberg-Atome (RA) und CBE.

RAs entstehen, indem das äußerste Elektron eines Atoms in einen Zustand mit extrem hoher Energie überführt wird. In diesem Zustand ähneln die Bahnen der Elektronen den Bahnen der Planeten, die einen Stern umkreisen. Das Qubit arbeitet auf der Basis von Übergängen zwischen verschiedenen Rydberg-Zuständen. Zustände können mit optischen Impulsen und der Emission von Photonen eingestellt und gelesen werden. Kalte RAs können optisch erfasst werden, indem sie an einer Stelle gehalten werden, sodass über ein optisches System auf sie zugegriffen werden kann.

Leider erlauben sie ihrer Natur nach nicht, direkt miteinander zu interagieren, so dass Operationen mit Qubits durch den Austausch von Photonen durchgeführt werden müssen. Und dies verkompliziert, wie im Fall von Ionen in Kristallen, das optische System und das Berechnungsverfahren übermäßig, so dass dieses System in ein erfolgreiches verwandelt werden kann. Und solche Qubits sind ziemlich schwer zu erstellen. Eine große Anzahl von RAs in einen identischen Anfangszustand zu bringen, ist keine triviale Aufgabe.

CBE liefert einen wunderbaren Quantenzustand, der mit sehr hoher Genauigkeit manipuliert und aufrechterhalten werden kann. Und es ist relativ einfach zu erstellen. Wie bei RA wirkt sich dieser Quantenzustand jedoch nicht direkt auf den Quantenzustand benachbarter CBEs aus, weshalb es sehr schwierig ist, daraus logische Schaltungen zu erstellen.

Dies ist eine leicht identifizierbare Gewinnerqualität.

Vergleichen Sie dies mit Quantencomputern auf Ionenfallen und supraleitenden QCs. Bei Ionenfallen wird der Quantenzustand auf einzelnen gefangenen Ionen gespeichert und aus diesen gelesen. Die Qubits können durch die Bewegung in der Falle sowie durch die Emission und Absorption von Licht und Mikrowellen direkt miteinander interagieren. Dieses optische System bleibt weiterhin komplex, wird jedoch durch die Verwendung von Mikrowellen und Bewegungen in Fallen vereinfacht, die für die Durchführung bestimmter Operationen verantwortlich sind. Dies reicht aus, um das System praktisch zu machen.

Es werden supraleitende Qubits hergestellt. Ihre Quanteneigenschaften sind wahrscheinlich die schlechtesten aller Konkurrenten. Die Tatsache, dass sie hergestellt werden, ermöglicht es ihnen jedoch, streng kontrolliert zu werden. Logische Operation, Zuweisung und Lesen von Qubit-Zuständen, Speicherung - all dies kann so ausgelegt werden, dass der Computer so lange wie möglich läuft. Es war dieses Gefühl der Kontrolle, das den Ingenieuren Vertrauen gab, und sie begannen, die Anzahl der Qubits zu skalieren.

Photonische Qubits sind die exotischsten der drei Anführer. Sie stehen daher nicht still, um Operationen mit ihnen durchzuführen, es ist eine sehr genaue zeitliche Koordination erforderlich, da zwei oder mehr Qubits sich zeitlich und räumlich überlappen müssen. Diese Anforderung erschwert die Gestaltung von photonischen Schemata. Die Verwendung eines speziellen Computerprogramms ist jedoch möglich.

Das Problem ist, die Photonenschaltung programmierbar zu machen. Es ist schwierig, aber nicht so sehr, dass der Ingenieur erschrocken schrie und davonlief. In diesem Sinne haben photonische Qubits immer noch die Chance, führend zu bleiben.

Die Hauptsache sind die Kosten

Werden wir die einzige Technologie haben, die alle regiert? Ich denke, dass im Prinzip ja eine Technologie dominieren wird. Ich denke, dass Photonenquantencomputer gewinnen werden, obwohl bisher supraleitende Qubits jeden antreiben. Tatsächlich kommt es auf die Kosten an: Platinen auf supraleitenden Qubits sind im Vergleich zu Computern mit Ionenfallen oder Photonenschaltkreisen viel billiger herzustellen. Photonische Schaltungen ähneln jedoch integrierten Schaltungen dahingehend, dass die Kosten mit zunehmendem Umfang sinken. Daher ist bei großen Mengen der Preisunterschied gering.

Und dann sind da noch die Kosten für ihre Arbeit. Computer in Ionenfallen erfordern Vakuumsysteme mit teuren Pumpen, und supraleitende Qubits arbeiten bei Temperaturen unterhalb der Temperatur von flüssigem Helium. Helium ist teuer, und Verdünnungskühlschränke sind auch teuer. Photonische Systeme haben keine derartigen Kosten.

Ja, Photonensysteme, die andere Konkurrenten einholen, haben Schwierigkeiten beim Entwerfen, aber wenn wir sie überwinden, spielen die Kosten in die Hände der Photonik. Ich bin dem Risiko ausgesetzt, ein Futurist zu sein (entschuldigen Sie, dieser Gedanke wird sich jetzt schlecht anfühlen). Die ersten zwei oder drei Generationen von QCs werden eine Mischung aus supraleitenden QBs und Ionencomputern sein und dann werden photonische QCs sie einholen. In der vierten Generation wird niemand wissen, was Transmon-Qubit ist .

Daher bin ich den Steppern dankbar, dass sie mir Zugang zu einem erstaunlichen Quantenlichtcomputer gewähren.