Quantencomputer sind fortschrittliche Maschinen, die komplexe Aufgaben und Berechnungen ausführen können, indem sie die Gesetze der Quantenmechanik . Sie haben Anwendungen in der Forschung im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz, Arzneimittelherstellung, Klimawandel, Cybersicherheit und verschiedenen anderen Bereichen. Eine kürzlich durchgeführte Studie veröffentlicht in der ZeitschriftNatur enthüllt eine Reihe von Rechenoperationen, die Quantencomputer genauer als je zuvor machen könnten.
Da Quantencomputer Probleme lösen, die selbst für Supercomputer klassische Computer zu komplex sind, müssen sie mit enormen Datenmengen umgehen, was sie anfälliger für fehlerverursachende Störungen macht. Allerdings kann ein einziger Fehler von solchen Computern dazu führenzum Verlust großer Mengen wertvoller Informationen. Daher statten Ingenieure und Wissenschaftler Quantencomputer mit starken Fehlerkorrekturmechanismen aus, um Diskrepanzen zu vermeiden.
Ein Forscherteam der deutschen Universität Innsbruck, der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich hat eine Methode vorgeschlagen, die zum Aufstieg von führen könnte.fehlerfreie Quantencomputer. ist ein Überblick über ihre Forschung.
Ein universelles Set zum Programmieren aller Algorithmen
Sie können sich die Fähigkeiten eines Quantencomputers anhand der Tatsache vorstellen, dass er angenommen wird ca. 158 Millionen mal schneller als der leistungsstärkste Supercomputer der Erde. Eine komplexe Aufgabe, die mit einem klassischen Computer Tausende von Jahren dauern kann, kann von einem Quantencomputer innerhalb weniger Minuten erledigt werden. Es gibt jedoch verschiedene Herausforderungen, denen wir uns stellen müssenzu überwinden, bevor Quantencomputing zu einer Mainstream-Technologie wird.
Ein herkömmlicher Computer vermeidet Fehler, indem er redundante Kopien von Informationen in Form von Bits anfertigt. Die Kopien werden weiter verwendet, um die Daten zu verifizieren. Die Gesetze der Quantenmechanik erlauben jedoch kein Kopieren von Daten aus ein Qubit zum anderen. Im Fall von Quantencomputern verteilen Wissenschaftler also Daten in zahlreiche physische Qubits, anstatt sie zu kopieren, um Erreichen von Informationsredundanz um Probleme zu lösen.
Forscher in Deutschland haben eine Rechenoperation entwickelt, die zwei logische Quantenbits beinhaltet und für jede Art von Aufgabe eingesetzt werden kann. Die erwähnte Operation wird tatsächlich durch eine Reihe universeller Gatter oder Quantenschaltkreise repräsentiert, die in der Lage sind, alle Arten von mathematischen Berechnungen zu verarbeitenDer Physiker Lukas Postler, einer der Autoren der Studie, behauptet, dass das universelle Set in einem Quantencomputer zum Programmieren aller Algorithmen.
"In dieser Arbeit haben wir die Implementierung eines fehlertoleranten universellen Gattersatzes demonstriert, bei dem sichergestellt ist, dass ein einzelner Fehler auf einem physikalischen Qubit nicht zu einem Fehler in der verschlüsselten logischen Quanteninformation führen kann. Ein universeller Satz von Gattern istnotwendig, um jede auf einem Quantencomputer mögliche Operation zu approximieren dies gilt für fehlerkorrigierte Qubits wie in unserem Fall, aber auch für Berechnungen auf bloßen physischen Qubits," sagte er Interessante Technik | wissenschaft-x.com.
Während der Studie wurde das universelle Set auf einem Ionenfallen-Quantencomputer angewendet, einer Maschine, die Quanteninformationen durch die Bewegung geladener Atomteilchen verarbeitet, die unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Felds im freien Raum schweben. Der Ionenfallen-Computer enthielt 16Atome insgesamt.
Die beiden logischen Bits des Satzes namens CNOT-Gate und T-Gate speicherten Quanteninformationen. Jedes Bit wurde über sieben Atome gespannt, und Wissenschaftler waren zum ersten Mal in der Lage, ein universelles Gatter auf fehlertoleranten Bits zu implementieren. Fehlertoleranz ist dieFähigkeit eines Systems um seinen Betrieb auch nach dem Ausfall einiger seiner Einheiten fortzusetzen.
„T-Gatter sind sehr grundlegende Operationen“, sie sind besonders interessant, weil Quantenalgorithmen ohne T-Gatter relativ einfach auf klassischen Computern simuliert werden können, wodurch eine mögliche Beschleunigung zunichte gemacht wird. Dies ist für Algorithmen mit T-Gattern nicht mehr möglich“, AutorMarkus Müller erklärt die Bedeutung von T-Gate.
Der fehlerfreie Ansatz liefert Genauigkeit, ist aber etwas komplizierter
Quanteninformationen, die in logischen Quantenbits gespeichert sind, erfordern Rechenoperationen, um verarbeitet zu werden, aber solche Operationen verursachen wahrscheinlich Fehler. Daher wird es als kompliziert angesehen, universelle Gatter auf fehlertoleranten logischen Bits zu implementieren.
„Die fehlertolerante Implementierung erfordert mehr Operationen als nicht fehlertolerante Operationen. Dies führt zu mehr Fehlern auf der Skala einzelner Atome, aber dennoch sind die experimentellen Operationen an den logischen Qubits besser als nicht fehlertolerante logische Operationen.“ erklärte Co-Lead Researcher Thomas Monz.
Monz bestätigt weiter, dass die Implementierung eines universellen Gattersatzes zwar den Verarbeitungsteil komplexer macht, aber bessere und genauere Ergebnisse liefert. Wissenschaftler planen nun, diesen fehlerfreien Ansatz an größeren und leistungsfähigeren Quantenmaschinen zu testen.