Ein Programm der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) behauptet, einen großen Durchbruch auf dem Gebiet des Quantencomputings erzielt zu haben. Das Projekt „Optimization of Noisy Intermediate Quantum Devices“ (ONISQ) hat die weltweit erste Quantenschaltung mit logischen Quantenbits (Qubits) geschaffen.
Quantencomputing basiert auf einigen scheinbar magischen oder verrückten Konzepten und hat das Potenzial, unser Verständnis von Computern zu revolutionieren. Durch die Nutzung von Quanteneffekten und einigen relativ komplexen mathematischen Kenntnissen kann Quantencomputing die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung um mehrere Größenordnungen im Vergleich zum klassischen Computing steigern und die Entwicklung von künstlicher Intelligenz, Biochemie, Kryptographie und anderen Bereichen fördern.
Das ist alles sehr beeindruckend, aber auf dem Weg dorthin sind wir ins Stolpern geraten, da es sich als ziemlich schwierig erwiesen hat, Quantencomputing über das experimentelle Stadium hinaus zu bringen. Ein Grund dafür ist, dass beim Quantencomputing eine sehr hohe Fehlerrate auftritt, was nicht verwunderlich ist, da die Prinzipien des Quantencomputings auf der Tatsache basieren, dass im Gegensatz zum Eins-Null-Binärsystem des klassischen Computings etwas eine Eins, eine Null oder sowohl eine Eins als auch eine Null gleichzeitig sein kann.
Die Kunst besteht darin, einen Weg zu finden, diese fehleranfälligen oder „lauten“ Prozessoren praktischer zu machen, indem man sie mit klassischen Systemen kombiniert. Im Fall von DARPA geht es dabei darum, sich auf die Lösung von Optimierungsproblemen zu konzentrieren, die in der Verteidigung und Industrie auftreten, indem logische Qubits entwickelt werden, eine Abstraktion auf höherer Ebene, die wie ein Quantenalgorithmus funktioniert und auf Rydberg-Qubits basiert, bei denen es sich um physikalische Komponenten handelt, die wie Quantensysteme mit zwei Zuständen funktionieren.
„Rydberg-Qubits haben den Vorteil einheitlicher Eigenschaften – das bedeutet, dass sich jedes Qubit nicht vom anderen unterscheidet“, sagte Dr. Mukund Vengalattore, ONISQ-Programmmanager im Office of Defense Science der DARPA. „Das ist bei anderen Plattformen nicht der Fall, etwa bei supraleitenden Qubits, bei denen jedes Qubit einzigartig und daher nicht austauschbar ist.“
„Die Homogenität von Rydberg-Qubits ermöglicht eine schnelle Skalierung und ermöglicht auch eine einfache Manipulation und Bewegung durch Laser auf Quantenschaltkreisen. Dies überwindet den aktuellen fehleranfälligen Ansatz, Qubit-Operationen durchzuführen, indem sie sequentiell verbunden werden, wodurch sich Fehler im gesamten Chip ausbreiten. Es ist jetzt möglich, sich eine dynamische Rekonfiguration von Qubits auf Quantenchips vorzustellen, die nicht mehr auf den sequentiellen Betrieb eines Quantenschaltkreises beschränkt sind. Wir können jetzt Laserpinzetten verwenden, um eine ganze Sammlung von zu bringen.“ Qubits (alle Qubits) von einer Stelle im Schaltkreis zu einem anderen auf dem Schaltkreis zu bewegen, eine Operation auszuführen und sie dann wieder an ihren ursprünglichen Ort zu bringen. „Dynamisch rekonfigurierbare und bewegliche Redburg-Logik-Qubits eröffnen völlig neue Konzepte und Paradigmen für die Entwicklung und den Bau skalierbarer Quantencomputerprozessoren.“
Derzeit hat DARPA 48 logische Qubits verbunden, es sind jedoch noch viele weitere erforderlich, um das für praktische Quantencomputer erforderliche Maß an Komplexität zu erreichen. Dies wäre jedoch weit weniger als die Millionen von Qubits, die ursprünglich für einen fehlertoleranten Quantencomputer erforderlich waren.
„Wenn jemand vor drei Jahren zu Beginn des ONISQ-Programms vorhergesagt hätte, dass das neutrale Rydberg-Atom (ein angeregtes Atom mit einem oder mehreren Elektronen mit einer sehr hohen Hauptquantenzahl) als logisches Qubit dienen könnte, hätte es niemand geglaubt“, sagte Dr. Guido Zuccarello, technischer Berater der DARPA.
Auf diese Weise setzt DARPA auf das Potenzial dieser weniger untersuchten Qubits und der besser untersuchten ionischen und supraleitenden Schaltkreise. Als Erkundungsprogramm gibt ONISQ Forschern die Möglichkeit, einzigartige neue Anwendungen zu erforschen, die über den Optimierungsschwerpunkt hinausgehen. Daher war das von Harvard geleitete Team in der Lage, das Potenzial dieser Redburg-Qubits besser auszuschöpfen und sie in logische Qubits umzuwandeln, was eine sehr bedeutende Entdeckung ist.