Zusammenfassung:
Obwohl Quantencomputer seit langem über ein erstaunliches Rechenpotenzial verfügen, standen sie bei der Informationsspeicherung immer vor Herausforderungen. Jetzt hat ein Forschungsteam der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) eine neue Quantencomputerarchitektur vorgeschlagen, die Informationen speichert, indem sie mechanische Vibrationen in Mikrostrukturen verursacht, die Größe des Quantenspeichers erheblich reduziert und voraussichtlich den Grundstein für zukünftige programmierbare universelle Quantencomputer legen wird.
Der vom Forschungsteam entwickelte neue Quantenchip verwendet eine winzige Komponente, die als „mechanischer Resonator“ bezeichnet wird. Wenn ein System Quanteninformationen bewahren muss, beginnen diese Strukturen mit extrem hohen Frequenzen zu schwingen und die Informationen werden in diesen Schwingungszuständen gespeichert. Der gesamte Chip ist etwa 7,5 mm lang, 2,5 mm breit und 1 mm hoch und hat nur die Größe eines kleinen Fingernagels.
Das System funktioniert ähnlich wie eine Gitarre, sagt Projektleiter Yiwen Chu, Quantenphysiker an der ETH Zürich. Gitarrensaiten vibrieren, um Musiknoten zu erzeugen, und neue Quantenchips nutzen mikroskopisch kleine mechanische Schwingungen, die weit über den Bereich des menschlichen Gehörs hinausgehen, um Quanteninformationen zu bewahren und zu verarbeiten. Diese Schwingungen sind jedoch keine Geräusche, sondern ein Quantenzustandsträger.
Derzeit verwenden gängige supraleitende Quantencomputer normalerweise ein hochintegriertes Design, bei dem Qubits sowohl für Rechenaufgaben als auch für die Informationsspeicherung verantwortlich sind. Obwohl diese Methode eine einfache Struktur aufweist, ist die Zeit, in der Qubits Informationen speichern, relativ kurz, und bei der Durchführung komplexer und langfristiger Vorgänge gehen Daten leicht verloren. Um dieses Problem zu lösen, schalten bestehende Systeme in der Regel zusätzliche elektromagnetische Resonatoren ein, die als Speicher dienen. Diese Resonatoren sind in der Lage, Quantenzustände vorübergehend zu bewahren, sodass die Qubits sie bei Bedarf erneut lesen können. Diese Strukturen basieren jedoch häufig auf Mikrowellenresonanzhohlräumen, und die Mikrowellenwellenlängen liegen oft im Zentimeterbereich, sodass auch die damit verbundenen Komponentengrößen groß sind.
Für Quantencomputer, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten müssen, ist der Weltraum eine äußerst kostbare Ressource. Das gesamte System muss in einem großen kryogenen Kühlgerät untergebracht werden, und das sperrige elektromagnetische Speichermodul schränkt die Erweiterungsmöglichkeiten des Systems erheblich ein. Das ETH-Team wählte einen völlig anderen Ansatz.
Sie speichern Quanteninformationen nicht in elektromagnetischen Wellen in Form von Photonen, sondern in mechanischen Schwingungen, die „Phononen“ genannt werden. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in Festkörpern viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, verkürzen sich auch ihre entsprechenden Wellenlängen stark. Dadurch können auf gleichem Raum mehr Informationsspeicher untergebracht werden. Das Forschungsteam sagte, dass diese neue Architektur erstmals die Verantwortlichkeiten des Quantenprozessors und des Quantenarbeitsspeichers klar unterscheidet, ähnlich der Beziehung zwischen CPU und RAM in modernen digitalen Computern. Supraleitende Qubits sind für die Berechnung und Steuerung zuständig, während mechanische Resonatoren als Arbeitsspeicher dienen und im Betrieb temporäre Daten speichern.
Forscher glauben, dass dieses Design nicht nur die Speicherdichte, sondern auch die Effizienz der Systemorganisation verbessert. Da Quantenverarbeitung und Quantenspeicher neu partitioniert werden, kann sich jede Komponente auf die Aufgaben konzentrieren, für die sie am besten geeignet ist, wodurch die Gesamtleistung verbessert wird.
Während des Experiments hat das Team diese Architektur erfolgreich zur Durchführung grundlegender Quantenlogikoperationen und komplexerer Quantencomputeraufgaben eingesetzt und die Machbarkeit dieses Entwurfs in tatsächlichen Systemen überprüft. Forscher glauben, dass dies einen wichtigen Schritt hin zu wirklich programmierbaren Systemen in der Quantencomputerarchitektur darstellt.
Chu Yiwen sagte, dass eine effiziente Zusammenarbeit zwischen Quantenprozessoren und Quantenspeichern eine wichtige Grundlage für zukünftige Quantencomputer sei, um Probleme lösen zu können, die herkömmliche Computer nicht bewältigen können. Sie glaubt, dass Quantencomputer nur durch die Etablierung einer Architektur mit einer klaren Arbeitsteilung, die der moderner Computer ähnelt, eine größere Entwicklung erreichen können.
Derzeit befindet sich diese Errungenschaft noch im experimentellen Forschungsstadium und ist von kommerziellen Quantencomputern noch weit entfernt. Brancheninsider sind jedoch davon überzeugt, dass die Art und Weise, wie Quanteninformationen effizient gespeichert und abgerufen werden können, mit der weiteren Ausweitung der Quantenhardware zu einem wichtigen Faktor bei der Bestimmung künftiger Quantencomputing-Fähigkeiten werden wird. Diese neue Idee, mechanische Schwingungen zum Aufbau von Quantenspeichern zu nutzen, könnte einen wichtigen technischen Weg für die nächste Generation von Quantencomputerplattformen darstellen.
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