Harvard-Forscher haben einen wichtigen Meilenstein auf der Suche nach stabilem, skalierbarem Quantencomputing erreicht, einer Ultrahochgeschwindigkeitstechnologie, die bahnbrechende Fortschritte in einer Vielzahl von Bereichen ermöglichen wird, darunter Medizin, Wissenschaft und Finanzen.
Das Team unter der Leitung von Mikhail Lukin, Professor für Physik an der Joshua and Beth Friedman University und Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative, hat den ersten programmierbaren, logischen Quantenprozessor entwickelt, der bis zu 48 logische Qubits kodieren und Hunderte davon ausführen kann logische Gatteroperationen, eine enorme Verbesserung gegenüber früheren Bemühungen.
Die in Nature veröffentlichte Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Markus Greiner, dem George Vasmer Leverett-Professor für Physik, durchgeführt; Kollegen vom MIT; und QuEra Computing, ein Bostoner Unternehmen, das auf Technologie aus Harvard-Laboren basiert.
Das System ist die erste Demonstration einer groß angelegten Algorithmenausführung auf einem fehlerkorrigierten Quantencomputer und läutet damit das Aufkommen einer frühen fehlertoleranten oder zuverlässig unterbrechungsfreien Quantenberechnung ein.
Lukin beschrieb die Errungenschaft als einen möglichen Wendepunkt ähnlich den Anfängen auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz: Die seit langem theoretisierten Ideen der Quantenfehlerkorrektur und Fehlertoleranz beginnen Früchte zu tragen.
„Ich denke, das ist einer der Momente, in denen klar ist, dass etwas ganz Besonderes bevorsteht“, sagte Lukin. „Obwohl noch Herausforderungen vor uns liegen, gehen wir davon aus, dass dieser neue Fortschritt den Fortschritt hin zu großen, nützlichen Quantencomputern erheblich beschleunigen wird.“
Denise Caldwell von der National Science Foundation stimmt dem zu.
„Dieser Durchbruch ist eine Meisterleistung der Quantentechnik und des Quantendesigns“, sagte Caldwell, amtierender stellvertretender Direktor der Direktion für Mathematische und Physikalische Wissenschaften, die die Forschung durch die Programme Physics Frontiers Centers und Quantum Leap Challenge Institutes der NSF unterstützte. „Das Team hat nicht nur die Entwicklung der Quanteninformationsverarbeitung durch die Verwendung neutraler Atome beschleunigt, sondern auch eine neue Tür für die Erforschung großer logischer Qubit-Geräte geöffnet, die transformative Vorteile für Wissenschaft und Gesellschaft insgesamt ermöglichen könnten.“
Es war ein langer, komplexer Weg.
Im Quantencomputing ist ein Quantenbit oder „Qubit“ eine Informationseinheit, genau wie ein Binärbit im klassischen Computing. Seit mehr als zwei Jahrzehnten zeigen Physiker und Ingenieure der Welt, dass Quantencomputing im Prinzip möglich ist, indem sie Quantenteilchen – seien es Atome, Ionen oder Photonen – manipulieren, um physikalische Qubits zu erzeugen.
Aber die Seltsamkeiten der Quantenmechanik erfolgreich für Berechnungen zu nutzen, ist komplizierter, als einfach eine ausreichend große Anzahl von Qubits anzuhäufen, die von Natur aus instabil sind und dazu neigen, aus ihren Quantenzuständen herauszukollabieren.
Die eigentlichen Münzen des Reiches sind sogenannte logische Qubits: Bündel redundanter, fehlerkorrigierter physikalischer Qubits, die Informationen zur Verwendung in einem Quantenalgorithmus speichern können. Die Schaffung logischer Qubits als steuerbare Einheiten – wie klassische Bits – stellte ein grundlegendes Hindernis für das Fachgebiet dar, und es ist allgemein anerkannt, dass die Technologie nicht wirklich durchstarten kann, solange Quantencomputer nicht zuverlässig auf logischen Qubits laufen können.
Bisher haben die besten Computersysteme ein oder zwei logische Qubits und eine Quantengatteroperation – vergleichbar mit nur einer Codeeinheit – zwischen ihnen nachgewiesen.
Der Durchbruch des Harvard-Teams basiert auf mehrjähriger Arbeit an einer Quantencomputerarchitektur, die als Neutral-Atom-Array bekannt ist und in Lukins Labor entwickelt wurde. Es wird jetzt von QuEra kommerzialisiert, das kürzlich eine Lizenzvereinbarung mit dem Office of Technology Development der Harvard-Universität für ein Patentportfolio abgeschlossen hat, das auf Innovationen basiert, die von Lukins Gruppe entwickelt wurden.
Die Schlüsselkomponente des Systems ist ein Block aus ultrakalten, schwebenden Rubidiumatomen, in dem sich die Atome – die physikalischen Qubits des Systems – bewegen und während der Berechnung paarweise – oder „verschränkt“ – verbunden werden können.
Verschränkte Atompaare bilden Tore, die Einheiten der Rechenleistung sind. Zuvor hatte das Team niedrige Fehlerraten bei seinen Verschränkungsoperationen nachgewiesen und damit die Zuverlässigkeit seines Neutralatom-Array-Systems bewiesen.
Mit ihrem logischen Quantenprozessor demonstrieren die Forscher nun die parallele, gemultiplexte Steuerung eines ganzen Patches logischer Qubits mithilfe von Lasern. Dieses Ergebnis ist effizienter und skalierbarer als die Steuerung einzelner physikalischer Qubits.
„Wir versuchen, einen Übergang auf diesem Gebiet zu markieren, hin zum Testen von Algorithmen mit fehlerkorrigierten Qubits statt mit physischen Qubits und ebnen den Weg zu größeren Geräten“, sagte Dolev Bluvstein, Erstautor der Studie von der Griffin School of Arts and Sciences Ph.D. Student in Lukins Labor.
Das Team wird weiterhin daran arbeiten, mehr Arten von Operationen auf seinen 48 logischen Qubits zu demonstrieren und sein System so zu konfigurieren, dass es kontinuierlich läuft, anstatt wie bisher manuell zu wechseln.
Die Arbeit wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency durch das Programm „Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices“ unterstützt; das Center for Ultracold Atoms, ein Physics Frontiers Center der National Science Foundation; das Heeresforschungsamt; und QuEra Computing.
