Bisher unlösbare Probleme lösen: Ein neuer Typ analoger Quantencomputer

Sep 04, 2023

Von UCD Research & Innovation 10. März 2023

Analoge Quantencomputer sind eine Art Quantencomputer, der kontinuierliche Variablen wie die Amplitude und Phase einer Quantenwellenfunktion verwendet, um Berechnungen durchzuführen.

Physiker haben einen neuartigen analogen Quantencomputer entwickelt, der anspruchsvolle physikalische Probleme lösen kann, die die leistungsstärksten digitalen Supercomputer nicht lösen können.

A groundbreaking study published in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> „Nature Physics“ eines Wissenschaftlerteams der Stanford University in den Vereinigten Staaten und des University College Dublin (UCD) in Irland hat gezeigt, dass ein neuer Typ hochspezialisierter Analogcomputer, der mit Quantenkomponenten in seinen Schaltkreisen ausgestattet ist, komplexe Probleme der Quantenphysik lösen kann die bisher unerreichbar waren. Wenn diese Geräte vergrößert werden können, könnten sie Einblicke in einige der bedeutendsten ungelösten Probleme der Physik liefern.

Beispielsweise streben Wissenschaftler und Ingenieure seit langem nach einem tieferen Verständnis der Supraleitung. Derzeit funktionieren supraleitende Materialien, wie sie in MRT-Geräten, Hochgeschwindigkeitszügen und energieeffizienten Fernstromnetzen verwendet werden, nur bei extrem niedrigen Temperaturen, was ihre breitere Anwendung verhindert. Das ultimative Ziel der Materialwissenschaften besteht darin, Materialien zu entdecken, die bei Raumtemperatur Supraleitung aufweisen, was ihre Verwendung in einer Vielzahl von Technologien revolutionieren würde.

Mikroskopaufnahme des neuen Quantensimulators, der zwei gekoppelte Metall-Halbleiter-Komponenten in Nanogröße aufweist, die in einen elektronischen Schaltkreis eingebettet sind. Bildnachweis: Pouse, W., Peeters, L., Hsueh, CL et al. Quantensimulation eines exotischen quantenkritischen Punkts in einer Kondo-Schaltung mit zwei Ladungen. Nat. Physik. (2023)

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.

Dr. Andrew Mitchell ist theoretischer Physiker am University College Dublin, Träger eines Laureate Award des Irish Research Council und Direktor des UCD Centre for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QuEST). Bildnachweis: UCD Medien: Foto von Vincent Hoban

"However, the technological and engineering advances driving the digital revolution have brought with them the unprecedented ability to control matter at the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> nanoskalig. Dies hat es uns ermöglicht, spezielle analoge Computer, sogenannte „Quantensimulatoren“, zu entwickeln, die spezifische Modelle der Quantenphysik lösen, indem sie die inhärenten quantenmechanischen Eigenschaften ihrer nanoskaligen Komponenten nutzen. Während es uns noch nicht gelungen ist, einen universell einsetzbaren Quantencomputer mit ausreichender Leistung zu bauen, um alle offenen Probleme der Physik zu lösen, können wir jetzt maßgeschneiderte analoge Geräte mit Quantenkomponenten bauen, die spezifische Probleme der Quantenphysik lösen können. "

Die Architektur dieser neuen Quantengeräte umfasst hybride Metall-Halbleiter-Komponenten, die in einen nanoelektronischen Schaltkreis integriert sind und von Forschern an der Stanford University (UCD) und dem SLAC National Accelerator Laboratory des US-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.

But to solve quantum physics problems, the devices need to involve quantum components. The new Quantum Simulator architecture involves electronic circuits with nanoscale components whose properties are governed by the laws of quantum mechanics. Importantly, many such components can be fabricated, each one behaving essentially identically to the others. This is crucial for analog simulation of quantum materials, where each of the electronic components in the circuit is a proxy for an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Das simulierte Atom verhält sich wie ein „künstliches Atom“. So wie sich verschiedene Atome derselben Art in einem Material identisch verhalten, müssen sich auch die verschiedenen elektronischen Komponenten des Analogcomputers identisch verhalten.

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 noch ein Drittel ihrer üblichen elektrischen Ladung zu haben scheinen – sogenannte „Z3-Pafermionen“. Diese schwer fassbaren Zustände wurden als Grundlage für zukünftige topologische Quantenberechnungen vorgeschlagen, wurden jedoch 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.“

Referenz: „Quantensimulation eines exotischen quantenkritischen Punkts in einem Two-Site-Charge-Kondo-Schaltkreis“ von Winston Pouse, Lucas Peeters, Connie L. Hsueh, Ulf Gennser, Antonella Cavanna, Marc A. Kastner, Andrew K. Mitchell und David Goldhaber -Gordon, 30. Januar 2023, Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01905-4