Forscher des MIT haben eine neue Architektur für supraleitende Qubits entwickelt, die hochgenaue logische Operationen in Quantencomputern ermöglicht. Dabei verwendeten sie ein kürzlich entwickeltes supraleitendes Qubit namens Fluxonium, das im Vergleich zu traditionellen Transmon-Qubits eine längere Lebensdauer aufweist. Die Architektur beinhaltet ein spezielles Koppelelement zwischen zwei Fluxonium-Qubits, das unerwünschte Hintergrundinteraktionen unterdrückt, die Fehler in Quantenoperationen einführen können. Mit diesem Ansatz konnten Zwei-Qubit-Gatter mit einer Genauigkeit von über 99,9% und Ein-Qubit-Gatter mit einer Genauigkeit von 99,99% erreicht werden. Die Forscher streben an, die Anzahl der Qubits zu erhöhen, um einen Quantencomputer im großen Maßstab aufzubauen. Die Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf den Aufbau eines nützlichen, fehlertoleranten Quantencomputers.
Einführung
Quantencomputing verspricht eine Revolution in verschiedenen Bereichen wie Kryptographie, Optimierung und Materialwissenschaft. Supraleitende Qubits sind eine führende Kandidaten für den Bau von Quantencomputern aufgrund ihrer Skalierbarkeit und Kompatibilität mit bestehenden Fertigungstechniken. Bisher war es eine große Herausforderung, hochgenaue logische Operationen in Quantencomputern zu realisieren. Forscher am MIT haben in diesem Bereich einen Durchbruch erzielt, indem sie eine neue Architektur für supraleitende Qubits entwickelt haben.
Die Bedeutung von genauen logischen Operationen
Logische Operationen sind die grundlegenden Bausteine des Quantencomputings. Um eine nützliche Rechenleistung zu erreichen, benötigen Quantencomputer hochgenaue Operationen, um Fehler zu minimieren. Fehler können die Zuverlässigkeit und Leistung von Quantencomputern stark beeinträchtigen und sie möglicherweise für die Lösung komplexer Probleme unbrauchbar machen. Daher ist es entscheidend, Möglichkeiten zur Verbesserung der Genauigkeit logischer Operationen zu finden.
Überblick über supraleitende Qubits
Supraleitende Qubits sind die Grundbausteine von Informationen in einem Quantencomputer. Sie basieren auf den Prinzipien der Supraleitung, bei der der elektrische Widerstand bei Temperaturen unterhalb einer kritischen Temperatur auf Null fällt. Eine Art von supraleitenden Qubits, bekannt als Fluxonium, hat in letzter Zeit Aufmerksamkeit erregt, da es im Vergleich zu herkömmlichen Transmon-Qubits eine längere Lebensdauer hat. Fluxonium-Qubits weisen eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Hintergrundrauschen auf und sind daher gute Kandidaten für hochgenaue logische Operationen.
Die Architektur für hochgenaue logische Operationen
Die von den Forschern am MIT entwickelte neue Architektur beinhaltet ein spezielles Koppelelement zwischen zwei Fluxonium-Qubits. Dieses Koppelelement unterdrückt unerwünschte Hintergrundinteraktionen, die Fehler in Quantenoperationen verursachen können. Durch die Reduzierung dieser Interaktionen ermöglicht die Architektur hochgenaue logische Operationen und überwindet so eine der Hauptprobleme in der Quantencomputing.
Das Design der Architektur berücksichtigt mehrere wichtige Faktoren:
- Fluxonium-Qubits: Die Architektur verwendet Fluxonium-Qubits, die im Vergleich zu herkömmlichen Transmon-Qubits eine längere Lebensdauer haben. Dies ist vorteilhaft, um Fehler durch Dekohärenz zu minimieren.
- Koppelelement: Das spezielle Koppelelement zwischen den Fluxonium-Qubits isoliert sie effektiv von unerwünschten Hintergrundinteraktionen. Diese Unterdrückung fehlerverursachender Interaktionen trägt zur hohen Genauigkeit bei logischen Operationen bei.
Vorteile von Fluxonium-Qubits
Fluxonium-Qubits bieten mehrere Vorteile, die zu ihrer Eignung für hochgenaue logische Operationen beitragen:
- Längere Lebensdauer: Fluxonium-Qubits haben eine längere Kohärenzzeit, was den Einfluss von Dekohärenz verringert und die Genauigkeit von Quantenoperationen verbessert.
- Geringe Empfindlichkeit gegenüber Rauschen: Fluxonium-Qubits zeigen eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Hintergrundrauschen, was eine bessere Kontrolle und Stabilität während logischer Operationen ermöglicht.
Unterdrückung fehlerverursachender Hintergrundinteraktionen
Unerwünschte Hintergrundinteraktionen zwischen Qubits sind eine Hauptquelle von Fehlern in Quantenoperationen. Das spezielle Koppelelement in der Architektur unterdrückt diese Interaktionen effektiv, reduziert die Fehlerchancen und ermöglicht hochgenaue logische Operationen.
Errungenschaften und Ergebnisse
Durch die Implementierung ihrer neuen Architektur erzielten die Forscher am MIT beeindruckende Ergebnisse in Bezug auf die Genauigkeit:
- Zwei-Qubit-Gatter: Die Architektur erreichte Zwei-Qubit-Gatter mit einer Genauigkeit von über 99,9%. Diese hohe Genauigkeit ist entscheidend für die Durchführung komplexer Quantenberechnungen.
- Einzelt-Qubit-Gatter: Einzelt-Qubit-Gatter erreichten eine Genauigkeit von 99,99%, was die Effektivität der Architektur bei hochgenauen logischen Operationen weiter unterstreicht.
Zukünftige Richtungen und Auswirkungen
Die von den Forschern am MIT entwickelte neue Architektur für supraleitende Qubits hat wichtige Auswirkungen auf die Zukunft des Quantencomputings:
- Quantencomputer im großen Maßstab: Die Errungenschaft hochgenauer logischer Operationen bringt uns einen Schritt näher zum Bau von Quantencomputern im großen Maßstab. Durch Skalierung der Anzahl von Qubits können Forscher daran arbeiten, komplexe Probleme zu lösen, die derzeit nicht realisierbar sind.
- Fehlerkorrigiertes Quantencomputing: Hochgenaue logische Operationen sind eine wesentliche Voraussetzung für fehlerkorrigiertes Quantencomputing, bei dem Fehler aktiv erkannt und korrigiert werden. Die Forschungsergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von fehlerkorrigierten Quantencomputingsystemen.
Erhöhung der Anzahl von Qubits
Um einen Quantencomputer im großen Maßstab zu bauen, muss die Anzahl der Qubits erhöht werden. Die Forscher am MIT konzentrieren sich nun darauf, die Anzahl der Qubits zu skalieren, während sie eine hohe Genauigkeit beibehalten. Dabei müssen Herausforderungen wie die Aufrechterhaltung der Kohärenz und die Minimierung von Übersprechen zwischen den Qubits angegangen werden.
Fortschritte im Quantencomputing
Die Entwicklung einer neuen Architektur für supraleitende Qubits mit hochgenauen logischen Operationen stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich des Quantencomputings dar. Sie bringt uns dem Potenzial von Quantencomputern, komplexe Probleme effizienter als herkömmliche Computer zu lösen, näher.
Schlussfolgerung
Die Forscher am MIT haben eine neue Architektur für supraleitende Qubits entwickelt, die hochgenaue logische Operationen in Quantencomputern ermöglicht. Durch die Verwendung von Fluxonium-Qubits und einem speziellen Koppelelement erreichten sie Zwei-Qubit-Gatter mit einer Genauigkeit von über 99,9% und Einzelt-Qubit-Gatter mit 99,99% Genauigkeit. Die Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf den Bau von Quantencomputern im großen Maßstab und fehlerkorrigiertes Quantencomputing. Weitere Forschung zur Skalierung der Anzahl von Qubits und zur Optimierung der Architektur bringt uns dem Ziel näher, Quantencomputer mit erheblicher Rechenleistung zu verwirklichen.
