Key Takeaways
- Die Herstellung praktischer Quantencomputer könnte davon abhängen, bessere Wege zu finden, supraleitende Materialien zu verwenden, die keinen elektrischen Widerstand haben.
- Forscher des Oak Ridge National Laboratory haben eine Methode entdeckt, um verbundene Elektronen mit extremer Präzision zu finden.
- Supraleitende Quantencomputer schlagen derzeit konkurrierende Technologien in Bezug auf die Prozessorgröße.
Praktische Quantencomputer könnten bald auf den Markt kommen und tiefgreifende Auswirkungen auf alles haben, von der Entdeckung von Medikamenten bis hin zum Knacken von Codes.
In einem Schritt zum Bau besserer Quantenmaschinen haben Forscher des Oak Ridge National Laboratory kürzlich den elektrischen Strom zwischen einer atomar scharfen Metallspitze und einem Supraleiter gemessen. Diese neue Methode kann verbundene Elektronen mit extremer Präzision in einer Bewegung finden, die helfen könnte, neue Arten von Supraleitern zu erkennen, die keinen elektrischen Widerstand haben.
"Supraleitende Sch altungen sind der aktuelle Spitzenreiter für den Bau von Quantenbits (Qubits) und Quantengattern in Hardware", sagte Toby Cubitt, der Direktor von Phasecraft, einem Unternehmen, das Algorithmen für Quantenanwendungen entwickelt, Lifewire in einer E-Mail Interview. "Supraleitende Qubits sind elektrische Festkörpersch altkreise, die mit hoher Genauigkeit und Flexibilität entworfen werden können."
Gruselaktion
Quantencomputer nutzen die Tatsache, dass Elektronen mithilfe der mysteriösen Eigenschaften der Quantenphysik von einem System zum anderen durch den Weltraum springen können. Wenn sich ein Elektron genau an der Stelle, an der Metall und Supraleiter aufeinander treffen, mit einem anderen Elektron paart, könnte es ein sogenanntes Cooper-Paar bilden. Der Supraleiter setzt auch eine andere Art von Teilchen in das Metall frei, die als Andreev-Reflexion bekannt ist. Die Forscher suchten nach diesen Andreev-Reflexionen, um Cooper-Paare zu entdecken.
A alto-Universität / Jose Lado
Die Wissenschaftler von Oak Ridge haben den elektrischen Strom zwischen einer atomar scharfen Metallspitze und einem Supraleiter gemessen. Mit diesem Ansatz können sie die Menge der Andreev-Reflexion erkennen, die zum Supraleiter zurückkehrt.
"Diese Technik etabliert eine entscheidende neue Methodik zum Verständnis der internen Quantenstruktur von exotischen Arten von Supraleitern, die als unkonventionelle Supraleiter bekannt sind, und ermöglicht es uns möglicherweise, eine Vielzahl offener Probleme bei Quantenmaterialien anzugehen", sagte Jose Lado, Assistenzprofessor bei Die A alto-Universität, die die Forschung theoretisch unterstützte, sagte in einer Pressemitteilung.
Igor Zacharov, leitender Forschungswissenschaftler am Quantum Information Processing Laboratory, Skoltech in Moskau, teilte Lifewire per E-Mail mit, dass ein Supraleiter ein Materiezustand ist, in dem Elektronen keine Energie durch Streuung an den Kernen verlieren, wenn sie leiten elektrischer Strom und der elektrische Strom kann ungebremst fließen.
"Während Elektronen oder Kerne Quantenzustände haben, die für Berechnungen genutzt werden können, verhält sich supraleitender Strom wie eine Makroquanteneinheit mit Quanteneigenschaften", fügte er hinzu. "Daher stellen wir die Situation wieder her, in der ein Makrozustand der Materie verwendet werden kann, um die Informationsverarbeitung zu organisieren, während er offensichtlich Quanteneffekte hat, die ihm einen Rechenvorteil verschaffen können."
Eine der größten Herausforderungen im heutigen Quantencomputing betrifft die Frage, wie wir Supraleiter noch leistungsfähiger machen können.
Die supraleitende Zukunft
Supraleitende Quantencomputer schlagen derzeit konkurrierende Technologien in Bezug auf die Prozessorgröße, sagte Cubitt. Google demonstrierte 2019 die sogenannte „Quantenüberlegenheit“auf einem supraleitenden 53-Qubit-Gerät. IBM hat kürzlich einen Quantencomputer mit 127 supraleitenden Qubits auf den Markt gebracht, und Rigetti hat einen supraleitenden 80-Qubit-Chip angekündigt.
"Alle Quantenhardware-Unternehmen haben ehrgeizige Roadmaps, um ihre Computer in naher Zukunft zu skalieren", fügte Cubitt hinzu. „Dies wurde durch eine Reihe von Fortschritten in der Technik vorangetrieben, die die Entwicklung ausgefeilterer Qubit-Designs und -Optimierungen ermöglicht haben. Die größte Herausforderung für diese spezielle Technologie ist die Verbesserung der Qualität der Gates, d. h. die Verbesserung der Genauigkeit, mit der der Prozessor arbeitet kann die Informationen manipulieren und eine Berechnung durchführen."
Bessere Supraleiter könnten der Schlüssel zur Herstellung praktischer Quantencomputer sein. Michael Biercuk, der CEO des Quantencomputerunternehmens Q-CTRL, sagte in einem E-Mail-Interview, dass die meisten aktuellen Quantencomputersysteme Nioblegierungen und Aluminium verwenden, in denen die Supraleitung in den 1950er und 1960er Jahren entdeckt wurde.
"Eine der größten Herausforderungen im heutigen Quantencomputing bezieht sich darauf, wie wir Supraleiter noch leistungsfähiger machen können", fügte Biercuk hinzu. „Zum Beispiel können Verunreinigungen in der chemischen Zusammensetzung oder der Struktur der abgeschiedenen Metalle Quellen von Rauschen und Leistungsabfall in Quantencomputern verursachen – diese führen zu Prozessen, die als Dekohärenz bekannt sind, bei denen die ‚Quantenhaftigkeit‘des Systems verloren geht.“
Quantum Computing erfordert ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Qualität eines Qubits und der Anzahl der Qubits, erklärte Zacharov. Jedes Mal, wenn ein Qubit mit der Umgebung interagiert, z. B. Signale für die „Programmierung“empfängt, kann es seinen verschränkten Zustand verlieren.
"Obwohl wir kleine Fortschritte in jeder der angegebenen technologischen Richtungen sehen, ist es immer noch schwer, sie zu einem gut funktionierenden Gerät zu kombinieren", fügte er hinzu.
Der „Heilige Gral“des Quantencomputings ist ein Gerät mit Hunderten von Qubits und niedrigen Fehlerraten. Wissenschaftler können sich nicht darauf einigen, wie sie dieses Ziel erreichen wollen, aber eine mögliche Antwort ist die Verwendung von Supraleitern.
"Die zunehmende Anzahl von Qubits in einem Silizium-Supraleiter-Gerät unterstreicht den Bedarf an riesigen Kühlmaschinen, die große Betriebsvolumina nahe der absoluten Nulltemperatur fahren können", sagte Zacharov.
