Ende letzten Jahres kündigte der Technologieriese IBM etwas an, das wie ein Meilenstein im Quantencomputing klingen könnte: den allerersten Chip namens Condor mit mehr als 1,000 Quantenbits oder Qubits. Angesichts der Tatsache, dass dies kaum zwei Jahre nach der Vorstellung des Eagle geschah, des ersten Chips mit mehr als 100 Qubits, sah es so aus, als würde das Feld rasant voranschreiten. Die Herstellung von Quantencomputern, die nützliche Probleme lösen können, die über die Möglichkeiten selbst der leistungsstärksten klassischen Supercomputer von heute hinausgehen, erfordert eine noch größere Skalierung – auf vielleicht viele Zehntausend oder Hunderttausende Qubits. Aber das ist sicherlich nur eine Frage der Technik, oder?

Nicht unbedingt. Die Herausforderungen bei der Skalierung sind so groß, dass einige Forscher davon ausgehen, dass dafür völlig andere Hardware erforderlich sein wird als die Mikroelektronik, die von Unternehmen wie IBM und Google verwendet wird. Die Qubits im Condor und im Sycamore-Chip von Google bestehen aus Schleifen supraleitenden Materials. Diese supraleitenden Qubits waren bisher der Hase im Wettlauf um Quantencomputing in vollem Umfang. Doch jetzt kommt eine Schildkröte von hinten: Qubits aus einzelnen Atomen.

Jüngste Fortschritte haben diese „neutralen Atom-Qubits“ von Außenseitern zu führenden Konkurrenten gemacht.

„In den letzten zwei oder drei Jahren gab es schnellere Fortschritte als in jedem anderen Zeitraum zuvor“, sagte der Physiker Mark Saffman von der University of Wisconsin, Madison, der mindestens fünf Unternehmen zählte, die um die Kommerzialisierung von Quantencomputern mit neutralen Atomen kämpften.

Wie die Bits in gewöhnlichen Computern kodieren Qubits binäre Informationen – Einsen und Nullen. Doch während sich ein Bit immer in dem einen oder anderen Zustand befindet, kann die Information in einem Qubit unbestimmt bleiben, in einer sogenannten „Überlagerung“, die beiden Möglichkeiten Gewicht verleiht. Um eine Berechnung durchzuführen, werden Qubits mithilfe des Phänomens der Quantenverschränkung verknüpft, das ihre möglichen Zustände voneinander abhängig macht. Ein bestimmter Quantenalgorithmus könnte eine Abfolge von Verschränkungen zwischen verschiedenen Sätzen von Qubits erfordern, und die Antwort wird am Ende der Berechnung ausgelesen, wenn eine Messung durchgeführt wird, wobei jede Überlagerung auf eine eindeutige 1 oder 0 reduziert wird.

Die Idee, die Quantenzustände neutraler Atome zur Informationskodierung auf diese Weise zu nutzen, war vorgeschlage in den frühen 2000er Jahren vom Harvard-Physiker Mikhail Lukin und Kollegen, und ebenfalls von einer Gruppe unter der Leitung von Ivan Deutsch der University of New Mexico. Lange Zeit war sich die breitere Forschungsgemeinschaft einig, dass Quantencomputing mit neutralen Atomen im Prinzip eine großartige Idee sei, sagte Lukin, aber dass es in der Praxis „einfach nicht funktioniert“.

„Aber 20 Jahre später haben die anderen Ansätze den Deal nicht abgeschlossen“, sagte Saffman. „Und die Fähigkeiten und Techniken, die erforderlich sind, um neutrale Atome zum Funktionieren zu bringen, haben sich allmählich so weit weiterentwickelt, dass sie sehr vielversprechend erscheinen.“

Lukins Labor in Harvard war einer der Vorreiter. Im Dezember, er und seine Kollegen berichtet dass sie programmierbare Quantenschaltkreise mit Hunderten von Qubits aus neutralen Atomen erstellt und damit Quantenberechnungen und Fehlerkorrekturen durchgeführt hatten. Und diesen Monat ein Team am California Institute of Technology berichtet dass sie eine Anordnung von 6,100 atomaren Qubits hergestellt haben. Solche Ergebnisse überzeugen immer mehr Anhänger dieses Ansatzes.

„Vor zehn Jahren hätte ich diese [Neutralatom-]Methoden nicht einbezogen, wenn ich auf die Zukunft des Quantencomputings gewettet hätte“, sagte er Andreas Steane, ein Quanteninformationstheoretiker an der Universität Oxford. „Das wäre ein Fehler gewesen.“

Schlacht der Qubits

Eine zentrale Frage im Wettbewerb zwischen den Qubit-Typen ist, wie lange jeder Qubit-Typ seine Überlagerung aufrechterhalten kann, bevor er durch zufällige (z. B. thermische) Fluktuationen verändert wird. Bei supraleitenden Qubits wie denen von IBM und Google beträgt diese „Kohärenzzeit“ typischerweise bestenfalls etwa eine Millisekunde. Alle Schritte einer Quantenberechnung müssen innerhalb dieses Zeitrahmens erfolgen.

Ein Vorteil der Kodierung von Informationen in den Zuständen einzelner Atome besteht darin, dass ihre Kohärenzzeiten typischerweise viel länger sind. Darüber hinaus sind im Gegensatz zu supraleitenden Schaltkreisen alle Atome einer bestimmten Art identisch, sodass keine maßgeschneiderten Steuerungssysteme erforderlich sind, um subtil unterschiedliche Quantenzustände einzugeben und zu manipulieren.

Und während die Verkabelung, mit der supraleitende Qubits zu Quantenschaltkreisen verbunden werden, furchtbar kompliziert werden kann – umso mehr, je größer das System ist –, ist bei Atomen keine Verkabelung erforderlich. Die gesamte Verflechtung erfolgt mit Laserlicht.

Dieser Vorteil stellte zunächst eine Herausforderung dar. Es gebe eine gut entwickelte Technologie zur Herstellung komplizierter mikroelektronischer Schaltkreise und Drähte, und ein wahrscheinlicher Grund, warum IBM und Google ursprünglich in supraleitende Qubits investierten, sei nicht, weil diese offensichtlich die besten seien, sondern weil sie die Art von Schaltkreisen erforderten, an die solche Unternehmen gewöhnt seien, sagte er Stuart Adams, ein Physiker an der Durham University im Vereinigten Königreich, der sich mit Quantencomputing mit neutralen Atomen beschäftigt. „Laserbasierte Atomoptik kam ihnen völlig fremd vor. Die gesamte Technik ist völlig anders.“

Auch Qubits aus elektrisch geladenen Atomen – sogenannte Ionen – lassen sich mit Licht steuern, und Ionen galten lange Zeit als bessere Qubit-Kandidaten als neutrale Atome. Aufgrund ihrer Ladung lassen sich Ionen relativ leicht in elektrischen Feldern einfangen. Forscher haben Ionenfallen geschaffen, indem sie die Ionen in einem winzigen Vakuumhohlraum bei extrem niedrigen Temperaturen suspendiert haben (um thermisches Wackeln zu vermeiden), während Laserstrahlen sie zwischen verschiedenen Energiezuständen umschalten, um die Informationen zu manipulieren. Mittlerweile wurden Ionenfallen-Quantencomputer mit Dutzenden von Qubits demonstriert, und mehrere Startups entwickeln die Technologie für die Kommerzialisierung. „Bisher waren gefangene Ionen das System mit der höchsten Leistung in Bezug auf Genauigkeit, Kontrolle und Kohärenz“, sagte Saffman.

Das Einfangen neutraler Atome ist schwieriger, weil es keine Ladung gibt, die man festhalten kann. Stattdessen werden die Atome in Feldern intensiven Lichts immobilisiert, die von Laserstrahlen, sogenannten optischen Pinzetten, erzeugt werden. Normalerweise sitzen die Atome am liebsten dort, wo das Lichtfeld am intensivsten ist.

Und es gibt ein Problem mit Ionen: Sie haben alle eine elektrische Ladung mit dem gleichen Vorzeichen. Das heißt, die Qubits stoßen sich gegenseitig ab. Viele von ihnen auf demselben kleinen Raum unterzubringen, wird umso schwieriger, je mehr Ionen vorhanden sind. Bei neutralen Atomen gibt es keine solche Spannung. Dies macht Qubits aus neutralen Atomen laut Forschern viel skalierbarer.

Darüber hinaus sind eingefangene Ionen in einer Reihe (oder neuerdings auch in einer Schleife) angeordnet.Rennstrecke“). Diese Konfiguration macht es schwierig, ein Ionen-Qubit mit einem anderen zu verschränken, das beispielsweise 20 Stellen entlang der Reihe beträgt. „Ionenfallen sind von Natur aus eindimensional“, sagte Adams. „Man muss sie in einer Reihe anordnen, und es ist sehr schwer vorstellbar, wie man auf diese Weise auf tausend Qubits kommt.“

Arrays aus neutralen Atomen können ein zweidimensionales Gitter sein, das viel einfacher zu skalieren ist. „Man kann viele Dinge in ein und dasselbe System integrieren, und sie interagieren nicht, wenn man das nicht möchte“, sagte Saffman. Seine Gruppe und andere haben auf diese Weise über 1,000 neutrale Atome eingefangen. „Wir glauben, dass wir Zehntausende oder sogar Hunderttausende in ein zentimetergroßes Gerät packen können“, sagte er.

Tatsächlich hat das Team am Caltech in seiner jüngsten Arbeit eine optische Pinzettenanordnung aus etwa 6,100 neutralen Cäsiumatomen erstellt, obwohl sie damit noch keine Quantenberechnungen durchgeführt haben. Diese Qubits hatten auch Kohärenzzeiten von satten 12.6 Sekunden, ein bisheriger Rekord für diesen Qubit-Typ.

Die Rydberg-Blockade

Damit zwei oder mehr Qubits miteinander verschränkt werden, müssen sie miteinander interagieren. Neutrale Atome „spüren“ die Anwesenheit des anderen über sogenannte Van-der-Waals-Kräfte, die dadurch entstehen, wie ein Atom auf Schwankungen in der Elektronenwolke eines anderen Atoms in der Nähe reagiert. Aber diese schwachen Kräfte sind nur dann spürbar, wenn Atome extrem nahe beieinander liegen. Normale Atome mithilfe von Lichtfeldern mit der erforderlichen Präzision zu manipulieren, ist einfach nicht möglich.

Wie Lukin und seine Kollegen bereits im Jahr 2000 in ihrem ursprünglichen Vorschlag betonten, kann die Wechselwirkungsentfernung dramatisch erhöht werden, wenn wir die Größe der Atome selbst vergrößern. Je mehr Energie ein Elektron hat, desto weiter entfernt es sich tendenziell vom Atomkern. Wenn ein Laser verwendet wird, um ein Elektron in einen Energiezustand zu pumpen, der weitaus größer ist als der Energiezustand, der normalerweise in Atomen zu finden ist – ein sogenannter Rydberg-Zustand nach dem schwedischen Physiker Johannes Rydberg, der in den 1880er Jahren die Art und Weise untersuchte, wie Atome Licht bei diskreten Wellenlängen emittieren – das Elektron kann tausende Male weiter vom Kern entfernt sein als gewöhnlich.

Diese Vergrößerung ermöglicht die Interaktion zweier Atome, die mehrere Mikrometer voneinander entfernt gehalten werden – was in optischen Fallen durchaus möglich ist.

Um einen Quantenalgorithmus zu implementieren, kodieren die Forscher zunächst Quanteninformationen in einem Paar atomarer Energieniveaus, indem sie Laser verwenden, um Elektronen zwischen den Niveaus umzuschalten. Anschließend verschränken sie die Zustände der Atome, indem sie Rydberg-Wechselwirkungen zwischen ihnen aktivieren. Ein bestimmtes Atom kann in einen Rydberg-Zustand angeregt werden oder nicht, je nachdem, in welchem ​​der beiden Energieniveaus sich sein Elektron befindet – nur eines davon hat die richtige Energie, um mit der Frequenz des Anregungslasers in Resonanz zu treten. Und wenn das Atom gerade mit einem anderen interagiert, verschiebt sich diese Anregungsfrequenz leicht, sodass das Elektron nicht mit dem Licht in Resonanz tritt und den Sprung nicht schaffen kann. Das bedeutet, dass jeweils nur das eine oder das andere eines Paares interagierender Atome einen Rydberg-Zustand aufrechterhalten kann; Ihre Quantenzustände sind korreliert – oder mit anderen Worten: verschränkt. Zuerst diese sogenannte Rydberg-Blockade vorgeschlage von Lukin und Kollegen im Jahr 2001 zur Verschränkung von Rydberg-Atom-Qubits entwickelt wurde, ist ein Alles-oder-Nichts-Effekt: Entweder gibt es eine Rydberg-Blockade oder nicht. „Die Rydberg-Blockade macht die Interaktionen zwischen Atomen digital“, sagte Lukin.

Am Ende der Berechnung lesen Laser die Zustände der Atome aus: Befindet sich ein Atom in dem Zustand, der mit der Beleuchtung resonant ist, wird das Licht gestreut, befindet es sich jedoch im anderen Zustand, erfolgt keine Streuung.

Im Jahr 2004 ein Team an der University of Connecticut weisen nach, dass eine Rydberg-Blockade zwischen Rubidiumatomen, eingefangen und auf nur 100 Mikrokelvin über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Sie kühlten die Atome, indem sie Laser einsetzten, um den Atomen ihre Wärmeenergie „abzusaugen“. Der Ansatz bedeutet, dass neutrale Atome im Gegensatz zu supraleitenden Qubits keine kryogene Kühlung und keine umständlichen Kältemittel benötigen. Diese Systeme können daher sehr kompakt gebaut werden. „Der Apparat als Ganzes hat Raumtemperatur“, sagte Saffman. „Einen Zentimeter von diesen superkalten Atomen entfernt gibt es ein Raumtemperaturfenster.“

Im Jahr 2010 haben Saffman und seine Mitarbeiter berichtet das erste Logikgatter – ein grundlegendes Element von Computern, in dem ein oder mehrere binäre Eingangssignale einen bestimmten binären Ausgang erzeugen – hergestellt aus zwei Atomen unter Verwendung der Rydberg-Blockade. Dann, entscheidend, im Jahr 2016, Lukins Team und Forschungsgruppen in Frankreich und Südkorea unabhängig herausgefunden wie man laden viele neutrale Atome in Anordnungen optischer Fallen und bewege sie nach Belieben. „Diese Innovation hat dem Feld neues Leben eingehaucht“, sagte er Stephan Dürr vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, Deutschland, der Rydberg-Atome für Experimente zur lichtbasierten Quanteninformationsverarbeitung verwendet.

Ein Großteil der bisherigen Arbeiten verwendet Rubidium- und Cäsiumatome, aber der Physiker Jeff Thompson an der Princeton University bevorzugt die Kodierung der Informationen in den Kernspinzuständen von Metallatomen wie Strontium und Ytterbium, die noch längere Kohärenzzeiten haben. Letzten Oktober, Thompson und Kollegen berichtet Zwei-Qubit-Logikgatter aus diesen Systemen.

Und Rydberg-Blockaden müssen nicht zwischen einzelnen Atomen liegen. Letzten Sommer, Adams und seine Mitarbeiter zeigte dass sie eine Rydberg-Blockade zwischen einem Atom und einem gefangenen Molekül erzeugen könnten, die sie künstlich herstellten, indem sie mit einer optischen Pinzette ein Cäsiumatom neben ein Rubidiumatom zogen. Der Vorteil hybrider Atom-Molekül-Systeme besteht darin, dass Atome und Moleküle sehr unterschiedliche Energien haben, was es einfacher machen könnte, eines zu manipulieren, ohne andere zu beeinträchtigen. Darüber hinaus können molekulare Qubits sehr lange Kohärenzzeiten haben. Adams betont, dass solche Hybridsysteme mindestens zehn Jahre hinter reinen Atomsystemen zurückliegen und dass die Verschränkung zweier solcher Qubits noch nicht erreicht wurde. „Hybridsysteme sind wirklich schwierig“, sagte Thompson, „aber wir werden wahrscheinlich irgendwann dazu gezwungen sein.“

High-Fidelity-Qubits

Kein Qubit ist perfekt: Bei jedem kann es zu Fehlern kommen. Und wenn diese unentdeckt und unkorrigiert bleiben, verfälschen sie das Ergebnis der Berechnung.

Ein großes Hindernis für das gesamte Quantencomputing besteht jedoch darin, dass Fehler nicht wie bei klassischen Computern identifiziert und korrigiert werden können, bei denen ein Algorithmus lediglich den Zustand der Bits verfolgt, indem er Kopien anfertigt. Der Schlüssel zum Quantencomputing liegt darin, dass die Zustände der Qubits unbestimmt bleiben, bis das Endergebnis ausgelesen wird. Wenn Sie versuchen, diese Zustände vor diesem Punkt zu messen, brechen Sie die Berechnung ab. Wie können Qubits dann vor Fehlern geschützt werden, die wir nicht einmal überwachen können?

Eine Antwort besteht darin, die Informationen auf viele physische Qubits zu verteilen, die ein einziges „logisches Qubit“ bilden, sodass ein Fehler in einem von ihnen die Informationen, die sie gemeinsam kodieren, nicht beschädigt. Dies ist nur dann sinnvoll, wenn die Anzahl der benötigten physischen Qubits für jedes logische Qubit nicht zu groß ist. Dieser Mehraufwand hängt teilweise davon ab, welcher Fehlerkorrekturalgorithmus verwendet wird.

Fehlerkorrigierte logische Qubits wurden mit supraleitenden Qubits und Qubits mit gefangenen Ionen demonstriert, aber bis vor kurzem war nicht klar, ob sie aus neutralen Atomen hergestellt werden können. Das änderte sich im Dezember, als das Harvard-Team Anordnungen aus mehreren hundert eingefangenen Rubidiumatomen enthüllte und Algorithmen für 48 logische Qubits ausführte, die jeweils aus sieben oder acht physikalischen Atomen bestanden. Die Forscher nutzten das System, um eine einfache logische Operation namens kontrolliertes NICHT-Gatter durchzuführen, bei der die 1- und 0-Zustände eines Qubits umgedreht oder unverändert gelassen werden, abhängig vom Zustand eines zweiten „Kontroll“-Qubits. Um die Berechnungen durchzuführen, bewegten die Forscher die Atome zwischen drei verschiedenen Regionen in der Einfangkammer: einer Anordnung von Atomen, einer Interaktionsregion (oder „Torzone“), in der bestimmte Atome mithilfe der Rydberg-Blockade gezogen und verwickelt wurden, und einer Auslesezone . Möglich sei das alles, sagte Adams, denn „das Rydberg-System bietet Ihnen die Möglichkeit, Qubits zu mischen und zu entscheiden, wer mit wem interagiert, was Ihnen eine Flexibilität gibt, die supraleitende Qubits nicht haben.“

Das Harvard-Team demonstrierte Fehlerkorrekturtechniken für einige einfache logische Qubit-Algorithmen, obwohl es bei den größten mit 48 logischen Qubits lediglich eine Fehlererkennung erreichte. Laut Thompson zeigten diese letzteren Experimente, dass „sie Messergebnisse mit Fehlern bevorzugt ablehnen und daher eine Teilmenge von Ergebnissen mit geringeren Fehlern identifizieren können“. Dieser Ansatz wird Post-Selection genannt und kann zwar bei der Quantenfehlerkorrektur eine Rolle spielen, löst das Problem jedoch nicht allein.

Rydberg-Atome könnten sich für neuartige Fehlerkorrekturcodes eignen. Der in der Harvard-Arbeit verwendete Code, der Oberflächencode genannt wird, „ist sehr beliebt, aber auch sehr ineffizient“, sagte Saffman; Für die Herstellung eines logischen Qubits sind in der Regel viele physische Qubits erforderlich. Andere, effizientere vorgeschlagene Fehlerkorrekturcodes erfordern Interaktionen zwischen Qubits mit größerer Reichweite und nicht nur Paarungen von nächsten Nachbarn. Praktiker des Neutralatom-Quantencomputings sind der Meinung, dass Rydberg-Wechselwirkungen mit großer Reichweite dieser Aufgabe gewachsen sein sollten. „Ich bin äußerst optimistisch, dass uns die Experimente in den nächsten zwei bis drei Jahren zeigen werden, dass der Overhead nicht so groß sein muss, wie die Leute dachten“, sagte Lukin.

Obwohl es noch mehr zu tun gibt, betrachtet Steane die Harvard-Arbeit als „einen Schritt in Bezug auf den Grad, in dem Fehlerkorrekturprotokolle im Labor umgesetzt wurden“.

Ausdrehen

Fortschritte wie diese führen dazu, dass Rydberg-Atom-Qubits mit ihren Konkurrenten mithalten können. „Die Kombination aus High-Fidelity-Gates, der großen Anzahl von Qubits, hochpräzisen Messungen und flexibler Konnektivität ermöglicht es uns, das Rydberg-Atom-Array als echte Konkurrenz zu den supraleitenden und gefangenen Ionen-Qubits zu betrachten“, sagte Steane.

Im Vergleich zu supraleitenden Qubits kostet die Technologie nur einen Bruchteil der Investitionskosten. Die Harvard-Gruppe hat ein Spin-off-Unternehmen namens QuEra, das bereits einen 256-Qubit-Rydberg-Quantenprozessor genannt hat Adler – ein analoger „Quantensimulator“, mit dem Simulationen ausgeführt werden können Systeme aus vielen Quantenteilchen – verfügbar in der Cloud in Zusammenarbeit mit der Quantencomputerplattform Braket von Amazon. QuEra arbeitet auch daran, die Quantenfehlerkorrektur voranzutreiben.

Saffman trat einer Firma namens bei Beugung, das die optische Neutralatom-Plattform für Quantensensoren und -kommunikation sowie Quantencomputing entwickelt. „Es würde mich nicht überraschen, wenn eines der großen IT-Unternehmen bald eine Partnerschaft mit einem dieser Spin-offs eingehen würde“, sagte Adams.

„Eine skalierbare Fehlerkorrektur mit Qubits aus neutralen Atomen ist definitiv möglich“, sagte Thompson. „Ich denke, 10,000 Qubits aus neutralen Atomen sind innerhalb weniger Jahre eindeutig möglich.“ Darüber hinaus ist er der Ansicht, dass praktische Einschränkungen der Laserleistung und -auflösung erforderlich sein werden modulare Designs bei dem mehrere unterschiedliche Atomarrays miteinander verbunden sind.

Wenn das passiert, wer weiß, was daraus wird? „Wir wissen noch nicht einmal, was wir mit Quantencomputing machen können“, sagte Lukin. „Ich hoffe wirklich, dass diese neuen Fortschritte uns bei der Beantwortung dieser Fragen helfen werden.“