Von Quantencomputern wird erwartet, dass sie die Art und Weise, wie Forscher schwierige Computerprobleme lösen, revolutionieren werden. Diese Computer werden entwickelt, um große Herausforderungen in Bereichen der Grundlagenforschung wie der Quantenchemie zu bewältigen. Quantencomputing ist in seinem derzeitigen Entwicklungsstadium noch sehr empfindlich gegenüber Rauschen und Störfaktoren in der Umwelt. Dies macht Quantencomputer „verrauscht“, da Quantenbits – oder Qubits – Informationen verlieren, indem sie nicht mehr synchron sind, ein Prozess, der als Dekohärenz bezeichnet wird.
Um die Einschränkungen aktueller Quantencomputer zu überwinden, entwickeln Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) Simulationen, die einen Einblick in die Funktionsweise von Quantencomputern geben.
„Wenn wir versuchen, das Verhalten von Quantensystemen wie Qubits direkt zu beobachten, werden ihre Quantenzustände zusammenbrechen“, sagte PNNL-Informatiker Ang Li. Li ist auch Forscher für das Quantum Science Center und das Co-Design Center for Quantum Advantage – zwei der fünf nationalen Quantum Information Science Research Centers des Energieministeriums. „Um dies zu umgehen, verwenden wir Simulationen, um Qubits und ihre Interaktion mit der Umgebung zu untersuchen.“
Li und Mitarbeiter des Oak Ridge National Laboratory und von Microsoft verwenden High Performance Computing, um Simulatoren zu entwickeln, die echte Quantengeräte zur Ausführung komplexer Quantenschaltkreise nachahmen. Kürzlich haben sie zwei verschiedene Arten von Simulationen kombiniert, um den Northwest Quantum Simulator (NWQ-Sim) zum Testen von Quantenalgorithmen zu erstellen.
„Das Testen von Quantenalgorithmen auf Quantengeräten ist langsam und kostspielig. Außerdem sind einige Algorithmen für aktuelle Quantengeräte zu fortschrittlich“, sagte Li. „Unsere Quantensimulatoren können uns helfen, über die Grenzen bestehender Geräte hinauszublicken und Algorithmen für anspruchsvollere Systeme zu testen.“
Algorithmen für Quantencomputer
Nathan Wiebe, ein gemeinsamer Beauftragter des PNNL von der University of Toronto und außerordentlicher Professor an der University of Washington, verfolgt eine andere Strategie, indem er Code für Quantencomputer schreibt. Obwohl es manchmal frustrierend sein kann, durch die Fähigkeiten aktueller Quantengeräte eingeschränkt zu sein, sieht Wiebe diese Herausforderung als Chance.
„Verrauschte Quantenschaltkreise erzeugen Rechenfehler“, sagt Wiebe. „Je mehr Qubits für eine Berechnung benötigt werden, desto fehleranfälliger ist sie.“
Wiebe und Mitarbeitern von der University of Washington entwickelte neuartige Algorithmen, um diese Fehler zu korrigieren in bestimmten Arten von Simulationen.
„Diese Arbeit bietet einen billigeren und schnelleren Weg, um eine Quantenfehlerkorrektur durchzuführen. Sie bringt uns möglicherweise der Demonstration eines rechnerisch nützlichen Beispiels einer Quantensimulation für die Quantenfeldtheorie auf kurzfristiger Quantenhardware näher“, sagte Wiebe.
Dunkle Materie trifft auf Quantencomputing
Während Wiebe versucht, Rauschen durch die Entwicklung von Algorithmen zur Fehlerkorrektur zu mindern, schauen der Physiker Ben Loer und seine Kollegen auf die Umgebung, um externe Rauschquellen zu kontrollieren.
Loer nutzt seinen Hintergrund, um ultraniedrige Werte natürlicher Radioaktivität zu erreichen, die für die Suche nach experimentellen Beweisen für dunkle Materie im Universum erforderlich sind, um die Dekohärenz von Qubits zu verhindern.
„Strahlung aus der Umwelt, wie Gammastrahlen und Röntgenstrahlen, ist überall vorhanden“, sagte Loer. „Da Qubits so empfindlich sind, hatten wir die Idee, dass diese Strahlung ihre Quantenzustände stören könnte.“
Um dies zu testen, haben sich Loer, Projektleiter Brent VanDevender und Kollege John Orrell mit Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Lincoln Laboratory des MIT zusammengetan verwendeten eine Bleiabschirmung, um Qubits vor Strahlung zu schützen. Sie entwarfen den Schild für die Verwendung in einem Verdünnungskühlschrank– eine Technologie, die verwendet wird, um die Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt zu erzeugen, die für den Betrieb von supraleitenden Qubits erforderlich ist. Sie sahen, dass die Dekohärenz von Qubits abnahm, wenn die Qubits geschützt waren.
Während dies der erste Schritt ist, um zu verstehen, wie sich Strahlung auf Quantencomputer auswirkt, plant Loer zu untersuchen, wie Strahlung Schaltungen und Substrate innerhalb eines Quantensystems stört. „Wir können diese Quantenwechselwirkungen simulieren und modellieren, um das Design von Quantengeräten zu verbessern“, sagte Loer.
Loer bringt seine Forschung zu bleigeschirmten Verdünnungskühlschränken im Shallow Underground Laboratory des PNNL mit Hilfe des PNNL-Chemikers Marvin Warner unter die Erde
„Wenn wir ein Quantengerät entwickeln, das nicht so funktioniert, wie es sollte, müssen wir in der Lage sein, das Problem zu lokalisieren“, sagte Warner. „Indem wir Qubits vor externer Strahlung abschirmen, können wir damit beginnen, andere potenzielle Rauschquellen im Gerät zu charakterisieren.“