Kvantesystemer lærer fælles computing

Dagens kvantecomputere indeholder op til flere dusin hukommelses- og behandlingsenheder, de såkaldte qubits. Severin Daiss, Stefan Langenfeld, og kolleger fra Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching har med succes sammenkoblet to sådanne qubits placeret i forskellige laboratorier til en distribueret kvantecomputer ved at forbinde qubits med en 60 meter lang optisk fiber. Over sådan en afstand realiserede de en kvantelogisk port - den grundlæggende byggesten i en kvantecomputer. Det gør systemet til den verdensomspændende første prototype af en distribueret kvantecomputer.

Begrænsningerne af tidligere qubit-arkitekturer

Kvantecomputere er væsentligt forskellige fra traditionelle "binære" computere:Fremtidige realiseringer af dem forventes let at udføre specifikke beregninger, som traditionelle computere ville tage måneder eller endda år for - for eksempel inden for datakryptering og dekryptering. Mens ydeevnen af ​​binære computere skyldes store hukommelser og hurtige computercyklusser, kvantecomputerens succes hviler på det faktum, at en enkelt hukommelsesenhed - en kvantebit, også kaldet "qubit" - kan indeholde superpositioner af forskellige mulige værdier på samme tid. Derfor, en kvantecomputer beregner ikke kun et resultat ad gangen, men i stedet mange mulige resultater sideløbende. Jo flere qubits der er indbyrdes forbundet i en kvantecomputer; jo mere komplekse beregninger kan den udføre.

De grundlæggende beregninger af en kvantecomputer er kvantelogiske porte mellem to qubits. En sådan operation ændrer - afhængigt af qubitternes begyndelsestilstand - deres kvantemekaniske tilstande. For at en kvantecomputer skal være bedre end en normal computer til forskellige beregninger, det ville være nødt til pålideligt at forbinde mange snesevis, eller endda tusindvis af qubits for lige så tusinde kvanteoperationer. Trods store succeser, alle nuværende laboratorier kæmper stadig med at bygge en så stor og pålidelig kvantecomputer, da hver yderligere påkrævede qubit gør det meget sværere at bygge en kvantecomputer i kun én enkelt opsætning. Qubits er implementeret, for eksempel, med enkelte atomer, superledende elementer, eller lette partikler, som alle skal isoleres perfekt fra hinanden og miljøet. Jo flere qubits er arrangeret ved siden af ​​hinanden, jo sværere er det både at isolere og kontrollere dem udefra på samme tid.

Datalinje og behandlingsenhed kombineret

En måde at overvinde de tekniske vanskeligheder i konstruktionen af ​​kvantecomputere er præsenteret i en ny undersøgelse i tidsskriftet Videnskab af Severin Daiss, Stefan Langenfeld og kolleger fra forskningsgruppen Gerhard Rempe ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching. I dette arbejde støttet af Institute of Photonic Sciences (Castelldefels, Spanien), holdet lykkedes med at forbinde to qubit-moduler over en 60-meters afstand på en sådan måde, at de effektivt danner en grundlæggende kvantecomputer med to qubits. "Over denne afstand, vi udfører en kvanteberegningsoperation mellem to uafhængige qubit-opsætninger i forskellige laboratorier, " understreger Daiss. Dette giver mulighed for at fusionere mindre kvantecomputere til en fælles behandlingsenhed.

Simpelthen kobling af fjerne qubits for at generere sammenfiltring mellem dem er blevet opnået i fortiden, men nu, forbindelsen kan desuden bruges til kvanteberegninger. Til dette formål, forskerne brugte moduler bestående af et enkelt atom som en qubit, der er placeret mellem to spejle. Mellem disse moduler, de sender en enkelt lyskvanta, en foton, der transporteres i den optiske fiber. Denne foton er derefter viklet ind i kvantetilstandene af qubits i de forskellige moduler. Efterfølgende tilstanden af ​​en af ​​qubits ændres i henhold til den målte tilstand af "ancilla fotonen, " at realisere en kvantemekanisk CNOT-operation med en fidelity på 80 procent. Et næste skridt ville være at forbinde mere end to moduler og hoste flere qubits i de enkelte moduler.

Kvantecomputere med højere ydeevne gennem distribueret databehandling

Teamleder og institutdirektør Gerhard Rempe mener, at resultatet vil gøre det muligt at fremme teknologien yderligere:"Vores ordning åbner en ny udviklingsvej for distribueret kvanteberegning." Det kunne muliggøre, for eksempel, at bygge en distribueret kvantecomputer bestående af mange moduler med få qubits, der er forbundet med den nyligt introducerede metode. Denne tilgang kunne omgå begrænsningen af ​​eksisterende kvantecomputere til at integrere flere qubits i en enkelt opsætning og kunne derfor tillade mere kraftfulde systemer.