In einem Meilenstein, der das Quantum Computing an der großen praktischen Verwendung greifbar näher bringt, haben Wissenschaftler der Physik der Universität Oxford die erste Instanz des verteilten Quantencomputings gezeigt. Unter Verwendung einer photonischen Netzwerkschnittstelle verknüpften sie zwei separate Quantenprozessoren erfolgreich, um einen einzelnen, vollständig verbundenen Quantencomputer zu bilden, was den Weg zur Bekämpfung von rechnerischen Herausforderungen ebnete. Die Ergebnisse wurden heute (5. Februar) in veröffentlicht Natur.
Der Durchbruch befasst sich mit Quantums „Skalierbarkeitsproblem“: Ein Quantencomputer, der leistungsstark genug ist, um die Branchensteigerung zu haben, müsste in der Lage sein, Millionen von Qubits zu verarbeiten. Das Verpacken all dieser Prozessoren in einem einzelnen Gerät würde jedoch eine Maschine von immenser Größe erfordern. In diesem neuen Ansatz werden kleine Quantengeräte miteinander verknüpft, sodass Berechnungen über das Netzwerk verteilt werden können. Theoretisch gibt es keine Grenze für die Anzahl der Prozessoren, die sich im Netzwerk befinden könnten.
Die skalierbare Architektur basiert auf Modulen, die jeweils nur eine kleine Anzahl von Qubits mit gefangenen Ionen (Atom-Skala-Träger von Quanteninformationen) enthalten. Diese werden mit optischen Fasern miteinander verbunden und verwenden Leicht (Photonen) und nicht mit elektrischen Signalen, um Daten zwischen ihnen zu übertragen. Diese photonischen Links ermöglichen es, Qubits in separaten Modulen zu verankerten*, sodass die Quantenlogik unter Verwendung der Quanten -Teleportation über die Module ausgeführt werden kann. **
Obwohl bereits die Quantenenteleportation von Zuständen erreicht wurde, ist diese Studie der erste Nachweis der Quantenenteleportation logischer Gates (die minimalen Komponenten eines Algorithmus) über eine Netzwerkverbindung. Nach Angaben der Forscher könnte dies die Grundlage für ein zukünftiges „Quanten-Internet“ legen, in dem entfernte Prozessoren ein ultra-sicheres Netzwerk für Kommunikation, Berechnung und Erfindung bilden könnten.
Studie leitende Dougal Main von der Physik der Universität Oxford, sagte: „Frühere Demonstrationen der Quantenentfernung haben sich auf die Übertragung von Quantenzuständen zwischen physikalisch getrennten Systemen konzentriert. In unserer Studie verwenden wir die Quanten -Teleportation zu Quantenenteleportation zu erstellen Wechselwirkungen zwischen diesen entfernten Systemen. Durch die sorgfältige Anpassung dieser Wechselwirkungen können wir logische Quantentore – die grundlegenden Operationen des Quantencomputers – zwischen Qubits in separaten Quantencomputern ausführen. Dieser Durchbruch ermöglicht es uns, unterschiedliche Quantenprozessoren effektiv zu einem einzigen, vollständig vernetzten Quantencomputer zu verdrahten. „
Das Konzept ähnelt der Funktionsweise traditioneller Supercomputer. Diese bestehen aus kleineren Computern, die miteinander verbunden sind, um Fähigkeiten zu erreichen, die größer sind als die jeder separaten Einheit. Diese Strategie umgeht viele der technischen Hindernisse, die mit der Verpackung einer immer größeren Anzahl von Qubits in ein einzelnes Gerät verbunden sind, während die empfindlichen Quanteneigenschaften beibehalten werden, die für genaue und robuste Berechnungen erforderlich sind.
Dougal Main fügte hinzu: „Durch die Verbindung der Module mithilfe photonischer Links erhält das System wertvolle Flexibilität, sodass Module aktualisiert oder ausgetauscht werden können, ohne die gesamte Architektur zu stören.“
Die Forscher zeigten die Wirksamkeit der Methode, indem sie den Suchalgorithmus von Grover ausführten. Diese Quantenmethode sucht nach einem bestimmten Element in einem großen, unstrukturierten Datensatz viel schneller als ein regulärer Computer, wobei die Quantenphänomene der Überlagerung und Verstrickung verwendet werden, um viele Möglichkeiten parallel zu untersuchen. Die erfolgreiche Demonstration unterstreicht, wie ein verteilter Ansatz die Quantenkapazitäten über die Grenzen eines einzelnen Geräts hinaus verlängern kann, und die Bühne für skalierbare Hochleistungsquantencomputer, die leistungsstark genug sind, um Berechnungen in Stunden auszuführen, dass die Lösung der heutigen Supercomputer viele Jahre dauern würde.
Professor David Lucas, Hauptforscher des Forschungsteams und leitender Wissenschaftler für den britischen Quantum Computing and Simulations-Hub, der von der Oxford University Physics geführt wird, sagte: „Unser Experiment zeigt, dass die Verarbeitung von Netzwerkverteilung mit der aktuellen Technologie machbar ist. Computer bleibt eine gewaltige technische Herausforderung, die in den kommenden Jahren wahrscheinlich neue Erkenntnisse aus physikalischen und intensiven Ingenieurwesen erfordern wird. „
*Quantenverdünnung: Wenn zwei Partikel, wie z. B. ein Photonenpaar, auch bei getrenntem Durchdrehen korrelieren. Auf diese Weise können sie Informationen austauschen, ohne physisch reisen zu müssen.
** Quanten -Teleportation: Die Übertragung von Quanteninformationen über lange Entfernungen mit Verschränkung fast sofort.
