Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
Dieses Papier berichtet über das experimentelle Benchmarking von Zeus-256, einem bei Raumtemperatur operierenden 256-Qubit-NV-Diamant-Quantenprozessor, der einen neuartigen optisch programmierbaren biomolekularen Quantenbus nutzt, welcher erfolgreich komplexe Algorithmen einschließlich Shors Algorithmus für 84-Bit-Ganzzahlen und High-Fidelity-Verschränkungsprotokolle ausführte, wenngleich er noch keinen Quantenvorteil demonstriert.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Quantencomputing verspricht, Probleme zu lösen, die selbst für die leistungsstärksten Supercomputer derzeit unmöglich sind, aber der Bau einer Maschine, die dies leisten kann, ist unglaublich schwierig. Die zentrale Herausforderung liegt darin, die empfindlichen Quanteninformationen stabil zu halten. In vielen Systemen verlieren die winzigen Teilchen, die zur Speicherung von Daten verwendet werden – sogenannte Qubits –, ihre besonderen Eigenschaften fast augenblicklich, wenn sie zu heiß werden oder mit ihrer Umgebung interagieren. Dies zwingt Wissenschaftler meist dazu, ihre Maschinen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu kühlen, was massive, komplexe Kühlsysteme erfordert. Eine weitere Hürde ist die Verbindung dieser Qubits. Um Berechnungen durchzuführen, müssen Qubits miteinander kommunizieren, aber in vielen Designs können sie nur mit ihren unmittelbaren Nachbarn kommunizieren. Um Informationen von einer Seite des Chips zur anderen zu gelangen, muss der Computer die Daten entlang einer langen Kette von Nachbarn weitergeben, was alles verlangsamt und Fehler einführt. Die Frage, die sich Forscher gestellt haben, war, ob es möglich ist, einen großen, nützlichen Quantencomputer zu bauen, der bei Raumtemperatur arbeitet und jeden Teil seines Gehirns mit jedem anderen Teil verbinden kann, ohne diese langsamen, fehleranfälligen Ketten zu benötigen.
Ein Team von Forschern hat nun einen neuen Typ Quantenprozessor demonstriert, der bei Raumtemperatur arbeitet und ein einzigartiges biologisches Material nutzt, um das Verbindungsproblem zu lösen. Sie bauten eine Vorrichtung namens Zeus-256, die 256 aktive Prozessoreinheiten oder logische Qubits enthält, die in einem Gitter angeordnet sind. Im Gegensatz zu anderen Systemen, die eine geringe Anzahl von Qubits über die Zeit wiederverwenden könnten, um eine größere Maschine zu simulieren, ist jede einzelne dieser 256 Einheiten aktiv und arbeitet gleichzeitig. Der Prozessor basiert auf einem kleinen Diamantkristall, der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (Nitrogen-Vacancy Centers) enthält – winzige Defekte in der Struktur des Diamanten, die als Qubits fungieren. Diese Defekte werden mittels Mikrowellen und Radiowellen gesteuert, während ihr Zustand mithilfe von Licht ausgelesen wird. Die bedeutendste Innovation ist jedoch die Art und Weise, wie die Qubits miteinander kommunizieren. Anstatt sich auf physische Drähte zu verlassen oder die Qubits zu bewegen, platzierten die Forscher eine spezielle Schicht aus einem proteinbasierten Material über dem Diamanten. Diese Schicht fungiert als programmierbare Brücke oder „Quantenbus“, der mit Licht abgestimmt werden kann, um zwei beliebige Qabits zu verbinden, selbst wenn diese weit voneinander auf dem Chip entfernt sind. Dies ermöglicht es dem Computer, komplexe Operationen ohne die üblichen Verzögerungen durch Distanz durchzuführen.
Die Forscher testeten diese Maschine, indem sie eine Vielzahl von Standard-Quantenalgorithmen ausführten, um zu sehen, wie gut sie abschnitt. Sie führten erfolgreich Schaltkreise aus, die darauf ausgelegt sind, komplexe verschränkte Zustände zu erzeugen, nach bestimmten Mustern zu suchen und mathematische Berechnungen durchzuführen. Einer der beeindruckendsten Tests beinhaltete einen berühmten Algorithmus zum Finden der Faktoren großer Zahlen – eine Aufgabe, die zentral für die moderne Kryptografie ist. Das Team führte diesen Algorithmus auf 11 verschiedenen Zahlen aus, die von kleinen 8-Bit-Integern bis hin zu einer massiven 84-Bit-Zahl reichten. Für die größte Zahl, die erforderte, dass alle 256 Qubits zusammenarbeiteten, registrierte die Maschine nach 10 Versuchen ein „Faktor-Wiederherstellungs“-Flag (Factor Recovery Flag). Die Studie gibt jedoch nicht die spezifischen Teiler, die Erfolgsanzahl für jeden einzelnen Versuch oder die Erfolgswahrscheinlichkeit pro Versuch an. Der gesamte Prozess für diese schwierige Berechnung dauerte etwas mehr als eine halbe Sekunde. In einem anderen Test erzeugte die Maschine einen spezifischen Typ eines hochgradig verschränkten Zustands unter Einbeziehung aller 256 Qubits gleichzeitig. Als sie die Qualität dieses Zustands maßen, stellten sie fest, dass er dem idealen theoretischen Ziel mit einer Fidelität von nahezu 99,9 Prozent entsprach, was darauf hindeutet, dass die Quanteninformation trotz der Umgebung bei Raumtemperatur bemerkenswert stabil blieb.
Die Studie maß auch, wie lange die Maschine für diese Aufgaben benötigte. Die Forscher fanden heraus, dass die Zeit, die das Ausführen eines Programms dauerte, viel stärker von der Komplexität der Instruktionen und der spezifischen Struktur der Berechnung abhing als von der bloßen Anzahl der verwendeten Qubits. Beispielsweise dauerten einige Berechnungen mit weniger Qubits viel länger als andere mit mehr Qubits, einfach weil die Instruktionen komplexer waren. Dies deutet darauf hin, dass die Geschwindigkeit des Prozessors davon bestimmt wird, wie die Software in die physischen Impulse übersetzt wird, die den Diamanten steuern, und nicht nur durch die Größe des Registers. Das Team verifizierte zudem, ob sich die Maschine tatsächlich auf eine quantenmechanische Weise verhielt, indem es die Korrelationen zwischen Paaren von Qubits maß. Die Ergebnisse zeigten ein Maß an Verbindung, das mit klassischer Physik unmöglich zu erreichen ist, was bestätigte, dass das Gerät als echtes Quantensystem operiert.
Obwohl die Maschine ein bedeutender Schritt nach vorn ist, weisen die Forscher vorsichtig darauf hin, was sie erreicht hat und was nicht. Sie stellen explizit fest, dass diese Arbeit noch nicht beweist, dass die Maschine Probleme schneller lösen kann als die besten klassischen Computer – ein Meilenstein, der als Quantenvorteil (Quantum Advantage) bekannt ist. Die bereitgestellten Zeitdaten sind ein Maß für die interne Ausführungsgeschwindigkeit des Prozessors und beinhalten nicht die Zeit, die der Computer benötigt, um den Code des Benutzers zu übersetzen, oder die Zeit für die Sammlung und Analyse des Lichts. Das 256-Qubit-Gerät ist die größte Version, die sie bisher gebaut und getestet haben. Sie beschreiben ein zukünftiges technisches Ziel, dieses Design auf nahezu 10.000 Qubits zu skalieren, stellen jedoch klar, dass diese größere Version noch nicht gebaut wurde. Der aktuelle Erfolg beruht auf einem proprietären biologischen Material, das als Verbindungsschicht dient, dessen exakte chemische Zusammensetzung jedoch nicht offengelegt wird. Die Tatsache jedoch, dass eine Maschine, die diesen Ansatz verwendet, 256 Qubits bei Raumtemperatur koordinieren und komplexe Ferninteraktionen durchführen kann, deutet auf einen praktikablen Weg hin zu größeren, praktikableren Quantencomputern hin, die keine extreme Kühlung erfordern. Die Arbeit zeigt, dass die Kombination aus diamantbasierten Qubits, Kernspin-Speicher und einer lichtgesteuerten biologischen Brücke einen funktionierenden Quantenprozessor bei Raumtemperatur schaffen kann, der in der Lage ist, substanzielle Rechenaufgaben zu bewältigen.
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