Entwicklung eines neuen Ansatzes zum Bau von Quantencomputern

Quantencomputing steckt zwar noch in den Anfängen, hat aber das Potenzial, die Rechenleistung dramatisch zu steigern, indem es sich das seltsame Verhalten von Partikeln im kleinsten Maßstab zunutze macht. Einige Forschungsgruppen haben bereits berichtet, Berechnungen durchzuführen, die ein herkömmlicher Supercomputer Tausende von Jahren dauern würde. Langfristig könnten Quantencomputer unknackbare Verschlüsselungen und Natursimulationen bieten, die über die heutigen Möglichkeiten hinausgehen.

Ein interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung der UCLA, dem auch Mitarbeiter der Harvard University angehören, hat nun eine grundlegend neue Strategie zum Bau dieser Computer entwickelt. Während der aktuelle Stand der Technik Schaltkreise, Halbleiter und andere Werkzeuge der Elektrotechnik verwendet, hat das Team einen Spielplan erstellt, der auf der Fähigkeit von Chemikern basiert, atomare Bausteine ​​kundenspezifisch zu entwerfen, die die Eigenschaften größerer molekularer Strukturen steuern, wenn sie eingesetzt werden zusammen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht letzte Woche in Naturchemiekönnte letztendlich zu einem Sprung in der Quantenverarbeitungsleistung führen.

„Die Idee ist, anstatt einen Quantencomputer zu bauen, ihn die Chemie für uns bauen zu lassen“, sagte Eric Hudson, David S. Saxon Presidential Professor of Physics an der UCLA und korrespondierender Autor der Studie. „Wir alle lernen noch die Regeln für diese Art von Quantentechnologie, also ist diese Arbeit im Moment sehr Science-Fiction.“

Die grundlegenden Informationseinheiten herkömmlicher Computer sind Bits, die jeweils auf einen von nur zwei Werten beschränkt sind. Im Gegensatz dazu kann eine Gruppe von Quantenbits – oder Qubits – einen weitaus größeren Wertebereich haben, was die Rechenleistung eines Computers exponentiell erhöht. Mehr als 1.000 normale Bits sind erforderlich, um nur 10 Qubits darzustellen, während 20 Qubits mehr als 1 Million Bits erfordern.

Diese Eigenschaft, die den Kern des Transformationspotenzials von Quantencomputern ausmacht, hängt von den kontraintuitiven Regeln ab, die gelten, wenn Atome interagieren. Wenn beispielsweise zwei Teilchen interagieren, können sie sich verbinden oder verwickeln, sodass die Messung der Eigenschaften des einen die Eigenschaften des anderen bestimmt. Das Verschränken von Qubits ist eine Voraussetzung für Quantencomputing.

Diese Verstrickung ist jedoch fragil. Wenn Qubits auf subtile Variationen in ihrer Umgebung stoßen, verlieren sie ihre „Quantenhaftigkeit“, die für die Implementierung von Quantenalgorithmen erforderlich ist. Dies begrenzt die leistungsstärksten Quantencomputer auf weniger als 100 Qubits, und um diese Qubits in einem Quantenzustand zu halten, sind große Maschinen erforderlich.

Um Quantencomputing praktisch anzuwenden, müssen Ingenieure diese Rechenleistung erhöhen. Hudson und seine Kollegen glauben, dass sie mit der Studie einen ersten Schritt gemacht haben, bei der die Theorie das Team anleitete, Moleküle nach Maß herzustellen, die das Quantenverhalten schützen.

Die Wissenschaftler entwickelten kleine Moleküle, die Calcium- und Sauerstoffatome enthalten und als Qubits fungieren. Diese Calcium-Sauerstoff-Strukturen bilden das, was Chemiker eine funktionelle Gruppe nennen, was bedeutet, dass sie in fast jedes andere Molekül gesteckt werden kann und diesem Molekül auch seine eigenen Eigenschaften verleiht.

Das Team zeigte, dass ihre funktionellen Gruppen ihre gewünschte Struktur beibehalten, selbst wenn sie an viel größere Moleküle gebunden sind. Ihre Qubits können auch der Laserkühlung standhalten, einer Schlüsselanforderung für Quantencomputer.

„Wenn wir eine quantenfunktionelle Gruppe an eine Oberfläche oder ein langes Molekül binden können, könnten wir möglicherweise mehr Qubits kontrollieren“, sagte Hudson. „Es sollte auch billiger sein, es zu vergrößern, weil ein Atom eines der billigsten Dinge im Universum ist. Sie können so viele herstellen, wie Sie wollen.“

Zusätzlich zu ihrem Potenzial für die Datenverarbeitung der nächsten Generation könnte die Quantenfunktionsgruppe ein Segen für grundlegende Entdeckungen in der Chemie und den Biowissenschaften sein, indem sie beispielsweise Wissenschaftlern hilft, mehr über die Struktur und Funktion verschiedener Moleküle und Chemikalien im menschlichen Körper aufzudecken .

„Qubits können auch äußerst empfindliche Messwerkzeuge sein“, sagte Studienkoautor Justin Caram, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie an der UCLA. „Wenn wir sie schützen könnten, damit sie in komplexen Umgebungen wie biologischen Systemen überleben können, wären wir mit so vielen neuen Informationen über unsere Welt ausgestattet.“

Hudson sagte, dass die Entwicklung eines chemisch basierten Quantencomputers realistischerweise Jahrzehnte dauern könnte und kein sicherer Erfolg sei. Zukünftige Schritte umfassen die Verankerung von Qubits an größeren Molekülen, die Überredung angebundener Qubits, als Prozessoren ohne unerwünschte Signale zu interagieren, und ihre Verschränkung, sodass sie als System funktionieren.

Das Projekt wurde durch ein Stipendium des Energieministeriums ins Leben gerufen, das den Physikern und Chemikern die Möglichkeit gab, den fachspezifischen Jargon zu überwinden und eine gemeinsame wissenschaftliche Sprache zu sprechen. Caram würdigt auch die Atmosphäre der einfachen Zusammenarbeit an der UCLA.

„Dies ist eines der intellektuell erfüllendsten Projekte, an denen ich je gearbeitet habe“, sagte er. „Eric und ich trafen uns zum ersten Mal beim Mittagessen im Fakultätszentrum. Dies entstand aus lustigen Gesprächen und der Offenheit, mit neuen Leuten zu sprechen.“