Implementation of a quantum addressable router using superconducting qubits

In der Welt des modernen Computing ist das Verschieben von Informationen von einem Ort zum anderen eine grundlegende Aufgabe. Seit Jahrzehnten bauen Ingenieure hochentwickelte Systeme, um Datenpakete durch Netzwerke zu leiten und sicherzustellen, dass eine Nachricht, die von einem Computer gesendet wird, ihr korrektes Ziel erreicht, ohne verloren zu gehen. Dieser Prozess, bekannt als Routing, beruht auf einer klaren Unterscheidung zwischen der Nachricht selbst und der Adresse, die angibt, wohin sie gehen soll. In der klassischen Welt sind diese beiden Dinge getrennt: Die Daten sind der Inhalt, und die Adresse ist ein festes Etikett, das in einer Sprache geschrieben ist, die der Router versteht. Das aufkommende Feld des Quantencomputings führt jedoch eine tiefgreifende Einschränkung ein: Quantenzustände, die die Informationen in diesen neuen Maschinen halten, können nicht kopiert werden. Diese Regel, bekannt als No-Cloning-Theorem, bedeutet, dass die empfindlichen Informationen innerhalb eines Quantensystems nicht dupliziert und gleichzeitig über mehrere Pfade gesendet werden können. Folglich funktionieren die alten Routing-Methoden nicht. Um ein zukünftiges Quanteninternet oder einen Quantenspeicher zu bauen, der Daten sofort abrufen kann, benötigen Wissenschaftler eine neue Art von Router. Dieses Gerät muss in der Lage sein, eine Quantenadresse zu lesen – eine Richtung, die sich in einem Zustand der Unentschiedenheit befindet, in dem der Pfad noch nicht festgelegt ist – und das Quantensignal entsprechend zu leiten, ohne dabei die fragile Information, die es trägt, zu zerstören.

Ein Team von Forschern der Stanford University und der University of Chicago hat ein solches Gerät, einen Quantenrouter, der sowohl das Signal als auch die Adresse auf eine voll quantenmechanische Weise handhaben kann, erfolgreich gebaut und getestet. Sie nennen dies einen Q2-Router. Um zu verstehen, was sie erreicht haben, stellen Sie sich eine Verkehrskreuzung vor, bei der das Verkehrslicht selbst nicht ein festes Rot oder Grün ist, sondern eine Superposition aus beiden Farben. In einer Standardkreuzung diktiert das Licht den Verkehrsfluss. In dieser Quantenversion ist das „Licht“ ein Quantenbit, oder Qubit, das in einem Zustand sein kann, gleichzeitig sowohl rot als als auch grün zu sein. Die Aufgabe des Routers ist es, das Auto sowohl durch das rote als auch durch das grüne Licht fahren zu lassen, das Auto also gleichzeitig auf beide Straßen zu senden, aber auf eine Weise, die die Identität des Autos intakt hält. Die Forscher konstruierten diesen Router mithilfe eines kleinen Chips, der vier supraleitende Schaltkreise enthält, die als künstliche Atome fungieren. Diese Schaltkreise werden auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt, um Interferenzen zu minimieren. Der Chip umfasst ein Input-Qubit, in dem die Information eintritt, zwei Output-Qubits, aus denen die Information austreten kann, und ein Switch-Qubit, das als Quantenadresse fungiert.

Der Kern des Experiments beruht auf einer spezifischen Wechselwirkung zwischen diesen Schaltkreisen. Die Forscher haben den Chip so konzipiert, dass die Input- und die Switch-Qubits eine starke, inhärente Verbindung haben, die ihr Verhalten je nach Zustand des Switches verändert. Wenn der Switch in einem Zustand ist, lässt er die Information zum ersten Output fließen; wenn er in einem anderen Zustand ist, leitet er die Information zum zweiten Output. Die Brillanz ihres Designs liegt darin, dass, wenn der Switch in einer Superposition beider Zustände ist, der Router die Information natürlich in eine Superposition beider Outputs leitet. Dies geschieht ohne die Notwendigkeit externer Anweisungen oder komplexer Änderungen an der Verkabelung während des Prozesses. Das Gerät verwendet eine spezifische Art von Gate, ein Controlled Swap, das wie eine Drehtür wirkt, die sich nur öffnet, wenn der Switch in der korrekten Position ist. Durch das Hintereinanderschalten von zwei dieser Drehtüren schufen sie ein vollständiges Routing-Protokoll. Das Team kalibrierte sorgfältig die Pulse der Mikrowellenenergie, die verwendet wurden, um diese Gates auszulösen, um sicherzustellen, dass sich die Information schnell und präzise bewegt, bevor sie die Chance hat, zu degradieren.

Die Ergebnisse des Experiments wurden mit hoher Präzision gemessen. Die Forscher fanden heraus, dass der Router die Quanteninformation etwa 95,3 % der Zeit im Durchschnitt an das korrekte Ziel leitete. Dieses Maß an Genauigkeit ist ein bedeutender Meilenstein, da es zeigt, dass das Gerät deterministisch arbeitet, was bedeutet, dass es jedes Mal das korrekte Ergebnis liefert, wenn es ausgeführt wird, anstatt auf dem Zufall zu beruhen. Das Team analysierte die Fehler, die eine perfekte Genauigkeit verhinderten, und fand heraus, dass diese primär durch den natürlichen Zerfall der Quantenzustände im Laufe der Zeit sowie durch kleine Unvollkommenheiten bei der Vorbereitung oder Messung der Zustände verursacht wurden. Sie bestätigten, dass das Gerät nicht aufgrund eines Fehlers in der Logik des Routings selbst fehlschlug. Durch das Testen des Routers mit verschiedenen Kombinationen von klassischen und Quanten-Inputs und -Adressen zeigten sie, dass er die allgemeinste Form des Routings bewältigen kann, bei der sowohl die Nachricht als auch die Richtung Quanten sind. Diese Fähigkeit ist essenziell für den Bau von Quanten-Random-Access-Memory, einer Technologie, die es Quantencomputern ermöglichen würde, Daten aus einem großen Speicherbank so schnell abzurufen, wie sie sie verarbeiten können – ein Merkmal, das komplexe Algorithmen für die Suche und Simulation beschleunigen könnte.

Die Forscher untersuchten auch die Grenzen ihres Geräts und identifizierten klare Wege zur Verbesserung. Sie merkten an, dass die Geschwindigkeit des Routings derzeit durch die Stärke der Wechselwirkung der Qubits begrenzt ist und dass eine stärkere Ausgestaltung dieser Wechselwirkungen oder eine Verbesserung der Lebensdauer der Qubits die Leistung weiter steigern könnte. Sie schlugen zudem vor, dass das Hinzufügen einer Methode zum Erkennen und Verwerfen fehlgeschlagener Versuche, bekannt als Erasure-Schema, die Zuverlässigkeit des Systems erheblich steigern könnte. Während das aktuelle Gerät ein Proof of Concept ist, deutet sein Erfolg darauf hin, dass solche Router als Bausteine für größere Quantennetzwerke dienen können. Die Fähigkeit, Quanteninformationen basierend auf einer Quantenadresse zu routen, ist ein entscheidender Schritt zur Realisierung eines funktionalen Quanteninternets, in dem Informationen mit derselben Flexibilität und Leistungsfähigkeit übertragen und verarbeitet werden können, die das klassische Internet heute definiert. Diese Arbeit bewegt das Feld von theoretischen Vorschlägen hin zu einer greifbaren, funktionierenden Komponente und bringt die Vision eines Quantennetzwerks einen Schritt näher zur Realität.