Neue analoge Quantencomputer sollen bisher unlösbare Probleme lösen

Sep 04, 2023

30. Januar 2023

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vom University College Dublin

Physiker haben einen neuen Typ eines analogen Quantencomputers erfunden, der schwierige physikalische Probleme lösen kann, die die leistungsstärksten digitalen Supercomputer nicht lösen können.

Neue in Nature Physics veröffentlichte Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern der Stanford University in den USA und des University College Dublin (UCD) in Irland haben gezeigt, dass ein neuartiger hochspezialisierter Analogcomputer, dessen Schaltkreise Quantenkomponenten enthalten, Probleme auf dem neuesten Stand lösen kann der Quantenphysik, die bisher unerreichbar waren. Im größeren Maßstab könnten solche Geräte möglicherweise Licht auf einige der wichtigsten ungelösten Probleme der Physik werfen.

Beispielsweise wollen Wissenschaftler und Ingenieure seit langem ein besseres Verständnis der Supraleitung erlangen, da vorhandene supraleitende Materialien – wie sie beispielsweise in MRT-Geräten, Hochgeschwindigkeitszügen und energieeffizienten Fernstromnetzen verwendet werden – derzeit nur bei extrem niedrigen Temperaturen funktionieren , was ihre breitere Verwendung einschränkt. Der heilige Gral der Materialwissenschaft besteht darin, Materialien zu finden, die bei Raumtemperatur supraleitend sind, was ihren Einsatz in einer Vielzahl von Technologien revolutionieren würde.

Dr. Andrew Mitchell ist Direktor des UCD Center for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QuEST), theoretischer Physiker an der UCD School of Physics und Mitautor des Artikels.

Er sagte: „Bestimmte Probleme sind einfach zu komplex, als dass selbst die schnellsten digitalen klassischen Computer sie lösen könnten. Die genaue Simulation komplexer Quantenmaterialien wie der Hochtemperatur-Supraleiter ist ein wirklich wichtiges Beispiel – diese Art der Berechnung liegt weit über den aktuellen Möglichkeiten, weil.“ des exponentiellen Rechenzeit- und Speicherbedarfs, der zur Simulation der Eigenschaften realistischer Modelle erforderlich ist.“

„Die technologischen und technischen Fortschritte, die die digitale Revolution vorantreiben, haben jedoch die beispiellose Fähigkeit mit sich gebracht, Materie auf der Nanoskala zu kontrollieren. Dies hat es uns ermöglicht, spezielle analoge Computer, sogenannte ‚Quantensimulatoren‘, zu entwickeln, die spezifische Modelle der Quantenphysik lösen.“ Nutzung der inhärenten quantenmechanischen Eigenschaften seiner nanoskaligen Komponenten. Während wir noch nicht in der Lage waren, einen universell einsetzbaren Quantencomputer mit ausreichender Leistung zu bauen, um alle offenen Probleme der Physik zu lösen, können wir jetzt maßgeschneiderte analoge Geräte bauen mit Quantenkomponenten, die spezifische quantenphysikalische Probleme lösen können.“

Die Architektur dieser neuen Quantengeräte umfasst hybride Metall-Halbleiter-Komponenten, die in einen nanoelektronischen Schaltkreis integriert sind und von Forschern in Stanford, UCD und dem SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums (in Stanford) entwickelt wurden. Stanfords Experimental Nanoscience Group unter der Leitung von Professor David Goldhaber-Gordon baute und betrieb das Gerät, während die Theorie und Modellierung von Dr. Mitchell am UCD durchgeführt wurde.

Prof. Goldhaber-Gordon, Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, sagte: „Wir erstellen immer mathematische Modelle, von denen wir hoffen, dass sie die Essenz der Phänomene erfassen, an denen wir interessiert sind, aber selbst wenn wir sie glauben.“ „Ich habe Recht, sie sind oft nicht in angemessener Zeit lösbar.“

Mit einem Quantensimulator „haben wir diese Knöpfe zum Drehen, die noch nie jemand zuvor hatte“, sagte Prof. Goldhaber-Gordon.

Die Grundidee dieser analogen Geräte besteht laut Goldhaber-Gordon darin, eine Art Hardware-Analogie zu dem Problem zu erstellen, das Sie lösen möchten, anstatt Computercode für einen programmierbaren digitalen Computer zu schreiben. Angenommen, Sie möchten die Bewegungen der Planeten am Nachthimmel und den Zeitpunkt von Sonnenfinsternissen vorhersagen. Sie könnten dies erreichen, indem Sie ein mechanisches Modell des Sonnensystems konstruieren, bei dem jemand eine Kurbel dreht und rotierende ineinandergreifende Zahnräder die Bewegung des Mondes und der Planeten darstellen.

Tatsächlich wurde ein solcher Mechanismus in einem antiken Schiffswrack vor der Küste einer griechischen Insel entdeckt, das mehr als 2000 Jahre alt ist. Dieses Gerät kann als ein sehr früher analoger Computer angesehen werden.

Nicht zu verachten ist, dass analoge Maschinen sogar bis ins späte 20. Jahrhundert für mathematische Berechnungen eingesetzt wurden, die für die damals fortschrittlichsten digitalen Computer zu schwierig waren.

Um jedoch quantenphysikalische Probleme zu lösen, müssen die Geräte Quantenkomponenten beinhalten. Bei der neuen Quantensimulator-Architektur handelt es sich um elektronische Schaltkreise mit nanoskaligen Komponenten, deren Eigenschaften durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt werden. Wichtig ist, dass viele solcher Komponenten hergestellt werden können, wobei sich jede einzelne im Wesentlichen identisch mit den anderen verhält.

Dies ist von entscheidender Bedeutung für die analoge Simulation von Quantenmaterialien, bei denen jede der elektronischen Komponenten in der Schaltung ein Stellvertreter für ein simuliertes Atom ist und sich wie ein „künstliches Atom“ verhält. Genauso wie sich verschiedene Atome derselben Art in einem Material identisch verhalten Das gilt auch für die verschiedenen elektronischen Komponenten des Analogcomputers.

Das neue Design bietet daher einen einzigartigen Weg zur Skalierung der Technologie von einzelnen Einheiten auf große Netzwerke, die in der Lage sind, große Quantenmaterie zu simulieren. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass in solchen Geräten neue mikroskopische Quantenwechselwirkungen erzeugt werden können. Die Arbeit ist ein Schritt zur Entwicklung einer neuen Generation skalierbarer analoger Festkörper-Quantencomputer.

Um die Leistungsfähigkeit der analogen Quantenberechnung mithilfe ihrer neuen Quantum-Simulator-Plattform zu demonstrieren, untersuchten die Forscher zunächst eine einfache Schaltung, die aus zwei miteinander gekoppelten Quantenkomponenten bestand.

Das Gerät simuliert ein Modell zweier Atome, die durch eine besondere Quantenwechselwirkung miteinander verbunden sind. Durch die Abstimmung elektrischer Spannungen konnten die Forscher einen neuen Materiezustand erzeugen, in dem Elektronen scheinbar nur ein Drittel ihrer üblichen elektrischen Ladung zu haben scheinen – sogenannte „Z3-Pafermionen“. Diese schwer fassbaren Zustände wurden als Grundlage für zukünftige topologische Quantenberechnungen vorgeschlagen, aber noch nie zuvor im Labor in einem elektronischen Gerät erzeugt.

„Durch die Vergrößerung des Quantensimulators von zwei auf viele nanoskalige Komponenten hoffen wir, dass wir viel kompliziertere Systeme modellieren können, mit denen aktuelle Computer nicht umgehen können“, sagte Dr. Mitchell. „Dies könnte der erste Schritt sein, um endlich einige der rätselhaftesten Geheimnisse unseres Quantenuniversums zu lüften.“

Mehr Informationen: Andrew Mitchell, Quantensimulation eines exotischen quantenkritischen Punkts in einem Kondo-Schaltkreis mit zwei Ladungen, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01905-4. www.nature.com/articles/s41567-022-01905-4

Zeitschrifteninformationen:Naturphysik

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