Rekordbrechender 53-Qubit-Quantensimulator vorgestellt

• Physiker bauten 53 wechselwirkende Quantenmagneten – Quadrillionen Magnetkonfigurationen möglich.
• Es handelt sich um einen eingeschränkten Quantentyp, der atomare Qubits nutzt, um komplexe Quantenmaterie nachzuahmen.
• Jedes Qubit wurde mit einer Effizienz von ca. 99 % gemessen.

Physiker der University of Maryland und des National Institute of Standards and Technology nutzten 53 wechselwirkende atomare Qubits, um magnetische Quantenmaterie nachzuahmen – ein neuer Rekord. Es ist die größte QuantenSimulation, die je mit hochgradig effizienter Single-Shot-Messung einzelner Qubits durchgeführt wurde.

Sie verwendeten bis zu 53 Ytterbium-Ionen, also veränderte Atome, die von rasiermesserscharfen, goldbeschichteten Elektroden gefangen gehalten werden. Ein komplementäres System von MIT und Harvard nutzt 51 Rubidium-Atome, die durch Laserstrahlen eingesperrt sind. Diese experimentelle Plattform könnte erweitert werden, um harte Quantenprobleme (wie Ising-Sampling) zu lösen, die jenseits der Grenzen modernster Supercomputer liegen.

Simulationen mit kleineren Zahlen gefangener Ionen-Qubits wurden bereits demonstriert; mit höherer Kontrolle über die Wechselwirkung zwischen Spins kann dieses System zu einem universellen Quantencomputer aufgerüstet werden.

Alle Ionen-Qubits sind stabile Atomuhren, die leicht replizierbar sind. Externe Laserstrahlen koppeln sie effizient, sodass das Gerät ohne Störung interner Einstellungen rekonfiguriert werden kann – um jede zukünftige Quantencomputing-Anwendung anzupassen. Schauen wir, was sie genau entwickelt haben und welchen Nutzen es bringt.

Was sind Quantensimulatoren genau?

Quantensysteme sind im Labor schwer zu untersuchen und auf Supercomputern fast unmöglich zu modellieren – deshalb nutzen wir Quantensimulatoren, um Muster und Eigenschaften des Quantencomputings zu studieren. Sie sind speziell entwickelt, um Details bestimmter Physikprobleme zu liefern.

Die Technik, Quantensysteme mit mehreren Teilchen zu simulieren, erfordert auf konventionellen Computern exponentielle Zeit. Wir können sie jedoch durch Quantencomputer mit mehreren Quantenbits simulieren, analog zur Teilchenzahl im Originalsystem. Dies wurde auf eine breite Palette von Quantensystemkategorien erweitert.

Bisher wurden Quantensimulatoren auf zahlreichen Plattformen realisiert: gefangene Ionen, supraleitende Schaltkreise, ultrakalte Quantengase und photonische Systeme.

Quantenhardware für Quantenprobleme nutzen

Moderne Supercomputer können nicht mehr als 20 wechselwirkende Quantenobjekte handhaben. Das gilt für Quantenmagnetismus, wo Wechselwirkungen zu magnetischer Ausrichtung auf Quantenskala führen können.

Quantenprobleme sind typischerweise schwierig, weil jeder Magnet mit allen anderen im System wechselwirkt. Der entwickelte Simulator hat 53 wechselwirkende Quantenmagneten, was Quadrillionen Magnetkonfigurationen ermöglicht. Diese Zahl verdoppelt sich mit jedem zusätzlichen Magneten.

Es ist ein eingeschränkter Quantentyp, der Qubits nutzt, um komplexe Quantenmaterie nachzuahmen. Qubits können isoliert sein und sich in zwei oder mehr Zuständen gleichzeitig befinden. Sie gibt es in vielen Formen; die bevorzugte Wahl für Qubits sind Atome – der vielseitige Baustein aller Materie. In den letzten Jahren gelang Physikern ein großer Erfolg bei der Kontrolle von bis zu 20 Qubits in kleinen Quantensimulationen.

Warum Atome?

Um die Quanten-Natur des Geräts zu schützen, müssen Qubits von der Umgebung isoliert bleiben. Der Schutz wird mit jedem zusätzlichen Qubit schwieriger, besonders wenn sie nicht von Anfang an identisch sind, wie bei fabriziellen Schaltkreisen. Das ist einer der Hauptgründe, warum Atome bevorzugt werden. Mit Atomen lässt sich die Quantenmaschinerie leichter skalieren als mit fabriziellen Schaltkreisen.

Im Gegensatz zu heutigen Computern werden atomare Qubits in einer Vakuumkammer bei Raumtemperatur gelagert, deren Druck dem Weltraum ähnelt. Die Isolation der Qubits ermöglicht Physikern, atomare Qubits präzise mit speziellen Lasern, Spiegeln, Glasfasern, Linsen und elektrischer Schaltung zu steuern. Derzeit fokussieren sich die meisten Tech-Giganten, Universitäten und sogar Startups auf die Entwicklung von Quantenmaschinen-Prototypen, die viele Qubits kontrollieren können.

53-Qubit-Simulator

Alle atomaren Qubits haben die gleiche elektrische Ladung, stoßen sich also ab. Wenn sie sich gegenseitig wegdrücken, zwingt ein angepasstes elektrisches Feld sie zurück zusammen. Diese beiden Kräfte balancieren sich, sodass die Ionen in einer Linie bleiben. Wissenschaftler nutzen die inhärente Abstoßung, um Ion-Ion-Wechselwirkungen zu erzeugen, die essenziell für die Simulation wechselwirkender Quantenmaterie sind.

Der Laserpuls steuert alle Qubits und versetzt sie in den gleichen Startzustand für die Quantensimulation. Ein weiterer Laserstrahlensatz interagiert mit den atomaren Qubits, sodass sie wie winzige Magnete agieren. Jetzt können Qubits entweder zufällig ausgerichtet sein (keine Magnetisierung) oder ihre Pole mit Nachbarn ausrichten, um einen Ferromagneten zu bilden. Wissenschaftler können die Strahlstärken variieren und analysieren, welche Phase unter verschiedenen Laserbedingungen gewinnt.

Referenz: University of Maryland | Nature | DOI:10.1038/nature24654

Die gesamte Simulation dauert nur wenige Millisekunden. Durch mehrfaches Wiederholen und Analyse der Endzustände an verschiedenen Punkten können Wissenschaftler den Prozess von Anfang bis Ende beobachten. Das hilft zu verstehen, wie Qubit-Magneten sich gemäß verschiedenen Phasen organisieren.

Künstlerische Darstellung der Laser-Manipulation atomarer Qubits | Credit: E. Edwards/JQI

Das Forschungsteam wandte eine langreichweitige Wechselwirkung mit kontrollierbarer Reichweite und Stärke an und maß jedes Qubit mit ca. 99 % Effizienz. Das bedeutet, dass Vielteilchen-Korrelationen zwischen Qubits in einem Single-Shot berechnet werden können, was den dynamischen Phasenübergang direkt sondiert und unzugängliche Eigenschaften enthüllt, die auf hoher Konnektivität und langreichweitigen Wechselwirkungen zwischen Qubits beruhen.

Obwohl der Simulator für magnetische Materie geeignet ist, erfordern andere Berechnungen einen allgemeineren Quantencomputer mit programmierbaren Wechselwirkungen, um effektiv zu funktionieren.

Was kommt als Nächstes?

Solche Quantensimulatoren helfen Wissenschaftlern, Quantenschaltkreise zu implementieren und letztlich mehrere Ionenketten zu verbinden, um einen vollständigen Quantencomputer mit breitem Anwendungsbereich zu bauen.

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Das Forschungsteam behauptet, bald bis zu 100 Ionen-Qubits oder mehr kontrollieren zu können. Dann könnten sie potenziell noch härtere Probleme in Materialdesign und Quantenchemie erforschen. D-Wave behauptet hingegen, 2.000 Qubits auf einem Chip zu produzieren.

Im Gegensatz dazu setzen Intel, Google und IBM auf supraleitende elektronische Schaltkreise für ihre Quantencomputer.