- Vorstellung von Majorana 1, dem weltweit ersten Quantenprozessor, der mit topologischen Qubits betrieben wird
- Microsoft hat Majorana 1 mithilfe eines innovativen Materials namens topoconductor entwickelt
- Dies ist ein wichtiger Wendepunkt auf dem Weg zu praktischem Quantencomputing
- Damit Quantencomputer Wissenschaft und Gesellschaft umfassend verändern können, sind Skalierung im großen Maßstab und verlässliche Quantenfehlerkorrektur unverzichtbar
- Die heute vorgestellten Inhalte sind ein zentraler Fortschritt, um dies schneller zu erreichen
- Majorana 1: das weltweit erste QPU mit topologischem Kern. Auf einem einzelnen Chip auf bis zu eine Million Qubits skalierbar
- A hardware-protected topological qubit:
- Forschungsergebnisse wurden in einem Nature-Paper und beim Station-Q-Meeting veröffentlicht
- Kennzeichen sind geringe Größe, hohe Geschwindigkeit und digital basierte Steuerung
- Roadmap für Geräte für stabile Quantenoperationen:
- Ein Pfad, der bei einem Single-Qubit-Gerät beginnt und zu Arrays mit Quantenfehlerkorrektur ausgebaut wird
- Aufbau des weltweit ersten fehlertoleranten Prototyps (fault-tolerant prototype, FTP):
- Über die letzte Phase des DARPA-Programms US2QC besteht das Ziel, innerhalb weniger Jahre einen skalierbaren Quantencomputer-Prototyp fertigzustellen
Einsatz einer neuen Art von Material
- Microsoft hat ein innovatives Material namens topoconductor entwickelt
- Dieses Material realisiert einen topologischen Supraleiter, indem Indiumarsenid (Indium Arsenide, Halbleiter) und Aluminium (Aluminum, Supraleiter) kombiniert werden
- Wird die Temperatur auf extrem tiefe Werte abgesenkt und das Magnetfeld reguliert, können an den Enden der Nanodrähte Majorana Zero Modes (MZMs) gebildet werden
- Dabei wird die Eigenschaft genutzt, dass Elektronen in ungepaartem, verteiltem Zustand Quanteninformationen speichern
- In dieser Struktur war das Auslesen von Quanteninformation schwierig, doch dies wurde mithilfe von Quantenpunkten (quantum dot) gelöst
- Über Quantenpunkte werden Änderungen der Ladungsmenge gemessen, und durch Beobachtung von Änderungen der Reflexion lässt sich der gerade/ungerade Zustand (= Parität) des Nanodrahts bestimmen
- Bei den ersten Messungen lag die Fehlerrate bei etwa 1 %, und es wurde ein klarer Weg erkannt, sie weiter zu senken
- Es wurde bestätigt, dass äußere Energieeinflüsse wie elektromagnetische Wellen Paare aufbrechen können, dies aber selten und nur im Millisekundenbereich auftritt
- Letztlich ist dieses besondere Material günstig für den Schutz von Quanteninformation, und es wurde auch ein stabiles Verfahren zu ihrer Messung etabliert
Innovation der Quantensteuerung durch digitale Präzision
- Verfolgt wird eine messungsbasierte Rechenmethode, die die Abhängigkeit von herkömmlicher analoger Steuerung verringert
- Bei bestehenden Verfahren sind komplexe und präzise Signale nötig, um jedes Qubit zu rotieren
- Dagegen liest Microsofts messungsbasierter Ansatz den Quantenzustand über einfache digitale Pulse aus und führt so Berechnungen aus
- Dies vereinfacht den Prozess der Quantenfehlerkorrektur (QEC) und macht es deutlich leichter, viele Qubits gleichzeitig zu verwalten
Von der Physik zur Ingenieurwissenschaft
- Microsoft präsentiert eine skalierbare Architektur auf Basis des Single-Qubit-Geräts Tetron
- Ein Tetron besteht aus zwei parallel angeordneten topologischen Drähten und einer supraleitenden Struktur, die diese verbindet
- An jedem Ende der Drähte befindet sich ein MZM, sodass vier MZMs ein Tetron bilden
- Das Forschungsteam hat bereits die Parität eines einzelnen Nanodrahts innerhalb eines Tetrons gemessen und außerdem Superpositions-Experimente mit einem anderen Quantenpunkt durchgeführt
- Als nächster Schritt wird ein 4×2-Tetron-Array aufgebaut, um eine Multi-Qubit-Umgebung zu testen, und es wurde eine Roadmap festgelegt, die letztlich zur Quantenfehlerkorrektur führt
- Die inhärenten Schutzeigenschaften topologischer Qubits in Kombination mit Microsofts maßgeschneidertem Fehlerkorrektur-Code können die benötigte Zahl physischer Qubits und den Betriebstakt erheblich optimieren
Ein von DARPA anerkannter Ansatz
- Im DARPA-Programm Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) ist Microsoft in die letzte Phase eingetreten
- Das ist das Ergebnis der Einschätzung, dass Microsofts Plan zum Aufbau eines Quantencomputers auf Basis topologischer Qubits glaubwürdig ist
- In der letzten Phase plant Microsoft, innerhalb nur weniger Jahre einen fault-tolerant prototype (FTP) fertigzustellen und so den Weg zu Quantencomputing in praktischer Größenordnung zu beschleunigen
- Wenn dieser Prototyp fertig ist, wird das ein wichtiger Wendepunkt sein, um Probleme, die sich mit bestehenden Supercomputern nur schwer lösen lassen, mit Quantenverfahren anzugehen
Verwirklichung des Potenzials von Quantencomputing
- In der vor 18 Monaten von Microsoft vorgestellten Roadmap für einen Quantum Supercomputer wurde nun der zweite Meilenstein erreicht
- Der erste war der Proof of Concept für topologische Qubits
- Der zweite ist die Umsetzung eines topological qubit in einem realen Gerät
- Bereits jetzt wurden acht topologische Qubits auf einem Chip platziert, und dieses System hat das Potenzial, auf eine Million Qubits zu skalieren
- Es wird erwartet, dass große Quantencomputer Probleme lösen können, die für heutige Supercomputer schwer beherrschbar sind, etwa beim Entwurf neuer Materialien oder bei Molekülsimulationen
- Durch die Zusammenarbeit mit DARPA will Microsoft praktisches Quantencomputing beschleunigen und weitere Fortschritte auch künftig teilen
2 Kommentare
Es scheint, dass man nicht mehr wie bisher in bildhaften Erklärungen Quantenphänomene an einem bestimmten Punkt beobachtet, sondern entlang einer bestimmten Linie, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegen Fehler steigt und vieles einfacher wird.
Wie dem auch sei: Damit wurde ein Problem aus dem Bereich Science in den Bereich Engineering gezogen, sodass man vielleicht exponentielle Leistungssteigerungen erwarten kann, ähnlich wie Intel früher die Leistung Jahr für Jahr verdoppelte.
Natürlich ist noch unklar, ob wir uns bei Quantencomputern gerade im ENIAC-Zeitalter oder im Zeitalter des Intel 386 befinden.
In anderen Artikeln hieß es, dass es sich weder um einen festen, flüssigen noch gasförmigen Zustand handelt, sondern um eine vierte Form ... Da ich davon keine Ahnung habe, nehme ich das nur oberflächlich so hin, haha