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Die Zukunft des Quanten-RAM? Wissenschaftler sehen zu, wie zwei Zeitkristalle interagieren

Zeitkristalle wurden erstmals vor 10 Jahren theoretisiert.

Ein Quantencomputer. Bartlomiej Wroblewski / iStock

Hier ist eine Eröffnungszeile direkt aus den Seiten eines Science-Fiction-Romans: Einem Team von Quantenphysikern ist es endlich gelungen, ein System zu schaffen, das aus zwei besteht Zeitkristalle.

Im Jahr 2016 haben Forscher die ersten im Labor gezüchteten Zeitkristalle hergestellt. Jetzt hat das Team von Quantenphysikern den Einsatz erhöht, indem es die Zeitkristalle gemäß einer kürzlich in veröffentlichten Studie zusammengefügt hat.das Peer-Review-Journal Naturkommunikation.

Entscheidend ist, dass das Team sogar die Wechselwirkungen von Zeitkristallen beobachtete.

Aber während der Durchbruch hätte enorme Implikationen für Quantencomputing — Branchenexperten sagenIE dass es zu früh ist, um konkret zu sagen, wie sie sich entwickeln werden.

Der Realitätscheck von Zeitkristallen

Leider können Sie mit Zeitkristallen nicht in die Zukunft sehen oder in der Zeit zurückreisen. Aber sie sind auf andere Weise bemerkenswert: Vor zehn Jahren stellte ein Physiker, der mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, die Theorie auf, dass dies möglich sein sollte – unter präzisen Bedingungen- für einige Arten von Materie, die ständig durch eine Reihe sich wiederholender Bewegungen oszillieren. Das Bemerkenswerte an diesen vermeintlichen "Zeitkristallen" war, dass sie keine zusätzliche Energie benötigten. Laut der Forschung gelten die Gesetze der Physik im Quantenbereichsollte theoretisch diese Miniatur-Perpetuum-Mobile-Maschinen zulassen.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com setzte sich mit zwei Experten aus der Quantencomputerindustrie zusammen, um die praktischen Anwendungen dieser neuen Entwicklung zu diskutieren. Mark Mattingley-Scott ist eine Führungskraft bei Quantum Brilliance und Florian Preis ist Quantenphysiker und Entwickler bei derselben Firma.

Dieses Interview wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Interessante Technik | wissenschaft-x.com: Was fällt Ihnen an der neuen Zeitung auf?

Mark Mattingley-Scott: Es ist die Verwendung der Zeitkristalle. Es klingt sehr nach Science-Fiction. Wenn Sie Qubits herstellen, können Sie einen Josephson-Transistor auf ein Stück Silizium zeichnen, ihn auf den absoluten Nullpunkt bringen und setzenes in einem Vakuum. Oder Sie können eine Stickstoffleerstelle in Diamant nehmen, oder Sie können ein Ion einfangen. Das sind alles Dinge, die Sie mit einem ausreichend guten Mikroskop sehen können.

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Das Interessante an diesem Artikel ist, dass die Qubits im Grunde in einem System hergestellt werden, in dem Sie die räumlichen Dimensionen durch die Zeit ersetzen. Es ist eine interessante Technik, eine interessante Technologie. Ist sie marktreif? Oder wann?ist es? Sehr schwer zu sagen. Ich denke, es steckt noch in einem sehr, sehr frühen Stadium.

IE: Gibt es aus Sicht der Branche wahrscheinliche Vor- oder Nachteile dieses neuen Ansatzes?

Mattingley-Scott: Ich kann über einen Nachteil sprechen, nämlich dass Sie immer noch viel Infrastruktur benötigen werden. Um diese Qubits herzustellen, müssen Sie wahrscheinlich auf sehr niedrige Temperaturen herunterkommen.

Florian Preis: Zu den Problemen dieses Ansatzes möchte ich noch etwas hinzufügen, zumindest so, wie er mit den Magneten in Helium 3 realisiert wird. Abgesehen von der Infrastruktur stellt sich für mich auch die Frage nach der Skalierung. Wie würdet ihr das tun?So erhalten Sie [skalieren Sie im Moment von] einem Qubit, das im Millimeterbereich zu liegen scheint. Können Sie skalieren, indem Sie etwas anderes in Bezug auf kubische Topologie und Konnektivität tun, aber vielleicht nur eine lineare Kette, die dies istSetup? Das sind die Fragen, die sich für mich stellen.

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IE: Sehen Sie irgendwelche Vorteile?

Mattingley-Scott: Das ist sehr schwer zu sagen. Vielleicht die Kohärenzzeit.

Preis: Die Kohärenzzeit ist hier der große Vorteil. Zeitkristalle haben eine lange Kohärenzzeit, was einer der Gründe dafür sein könnte, dass sie in Zukunft irgendwann als Quanten-RAM – ein Gerät für Quantenspeicher – betrachtet werden könnten. I'Ich habe in einigen Artikeln einige Erwähnungen davon gesehen.

IE: Könnten Sie etwas mehr über Kohärenzzeit sprechen? Was bedeutet das und warum ist diese Option attraktiver?

Mattingley-Scott: Mit Qubits müssen Sie ein einfaches quantenmechanisches System in einen Zustand versetzen, in dem Sie damit Dinge tun können, in dem Sie Operationen damit durchführen können. Das können Gate-Operationen sein. Im Fall eines analogen QuantsComputer, man manipuliert das quantenmechanische System.

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Aber früher oder später zerfällt dieses quantenmechanische System oder geht im Grunde in Rauschen über. Das ist der Punkt, an dem es nutzlos ist: Sie haben die Kohärenz verloren. Alles, was Sie mit diesem Qubit oder jenem Qubit oder jenem quantenmechanischen System tun – irgendetwasBerechnung, die Sie durchführen möchten – Sie müssen sie innerhalb der Kohärenzzeit durchführen.

Je länger die Kohärenzzeit, desto besser. Der andere Parameter ist, wie lange Sie für eine einzelne Operation brauchen. Es ist ziemlich wichtig, die Beziehung zwischen den beiden zu verstehen, aber im Allgemeinen bedeutet mehr Kohärenz – längere Kohärenzzeit – Siekann mehr.

Preis: Es ist im Grunde die Grenze, wie viele Operationen Sie durchführen können.

IE: Von welchem ​​Umfang an Operationen sprechen wir hier?

Florian: Ich habe in dem Artikel nichts über Gate-Zeiten gefunden. Das heißt, wie lange eine Operation dauern würde. Auch hier sprechen wir nur von einem Single-Qubit-System. Zwei Qubit-Gates haben normalerweise eine andere Zeitskala alsdie eine Qubit-Gate-Zeit. Und das wird nicht gesagt. Wir können also nicht sagen, ob es – verglichen mit der Kohärenzzeit – dort einen Vorteil gibt.

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IE: Wenden wir uns dem Stand der Branche zu, den Crystal-fähige Quantencomputer in Zukunft ermöglichen könnten. Wie ist der Stand der Branche derzeit?

Mattingley-Scott: Die Quantencomputer, die wir haben – es spielt keine Rolle, was die zugrunde liegende Technologie ist – geben uns ein paar 10er oder ein paar 100er Qubits. Die Dinge, die wir mit ihnen machen können, sind immer noch daso begrenzt, dass sie in der Leistung wirklich nicht mit einem klassischen Computer vergleichbarer Größe vergleichbar sind.Die Anzahl der Qubits ist definitiv bei weitem nicht annähernd die Rechenleistung, die Sie erhalten, wenn Sie das gleiche Raumvolumen nehmen und es mit klassischen füllenComputers.

IE: Und doch sind viele Menschen sehr begeistert von Quantencomputern. Wie werden wir anfangen, diese Maschinen in der realen Welt zu sehen?

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Mattingley-Scott: Es ist in diesem Konzept festgehalten, das wir Quantennutzen nennen, nämlich die Erkenntnis, dass Quantencomputer auf absehbare Zeit – in den nächsten 20 oder 30 Jahren – als Beschleuniger verwendet werden, ähnlich wie eine GPUheute ein Beschleuniger. Es ist etwas, das Sie einer CPU hinzufügen. Wir nennen sie QPUs, nur um konsistent zu sein. QPUs werden eingesetzt, um Algorithmen schneller zu machen, aber sie werden klassische Computer nicht vollständig ersetzen.

Wir sind jetzt kurz davor, einen positiven Business Case zu haben, bei dem jemand für ein bestimmtes Problem – in der Wirtschaft oder in der Chemie oder Pharmazie oder im Finanzwesen – sagen kann: „Okay, wenn ich eines dieser Dinge kaufe, ist es genauer oder schnelleroder besser als die klassische Alternative."

IE: Zeitkristalle sind immer noch hauptsächlich die Domäne von Forschern, aber die Dinge in der Quantencomputerindustrie ändern sich ständig. Welche Veränderungen haben Sie in letzter Zeit gesehen?

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Preis: Letztes Jahr und dieses Jahr gab es einige Änderungen, da Festkörpertechnologien kommen und ausgereifter werden. Eine davon ist natürlich [die Verwendung von] Diamanten. Ein weiteres Beispiel für Festkörper sind Silikonpunkte. Dies istziemlich neu, zumindest im industriellen Bereich, Supraleitung gibt es schon lange, gefangene Ionen auch, aber was ich dort sehe, ist, dass es zumindest in puncto Wiedergabetreue nicht viel zu geben scheintzumindest bei den supraleitenden Qubits keine Fortschritte mehr machen. Und auch bei den gefangenen Ionen schöpfen sie in einer linearen Reise das Maximum aus, was sie im Moment können. Es wird interessant sein, wie sie diese Lücke dann in Zukunft schließen werden.

In Bezug auf die Anwendung gibt es definitiv eine Hinwendung zur Parallelität. Auf der Softwareseite sehen Sie, dass mehr Workflow-Orchestrierungs-Frameworks ausgereifter werden. Es dreht sich alles darum, wie viele dieser QPUs orchestriert werden können, weil – für diese lauten Quantensysteme mittlerer Größeinsbesondere – da sie auf sogenannten Variations-Quantenalgorithmen laufen, wird es sehr wichtig sein, Parallelität zu nutzen, um vernünftige Laufzeiten zu erreichen. Das bringt Quantenvorteile oder -nutzen, wie wir es nennen.

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