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IonQ hat einen schnelleren Weg gefunden, unterschiedliche Arten von Quantenhardware miteinander kommunizieren zu lassen.
In einer vergangene Woche veröffentlichten experimentellen Demonstration gab der Quantencomputing-Hersteller IonQ eine Hardwareverbindung bekannt, die eine durchschnittliche heraldete Verschränkungsrate von 1.032 Paaren pro Sekunde zwischen zwei grundlegend unterschiedlichen Qubit-Typen erreichte: einem gefangenen Barium-138-Ion und einem Festkörper-Quantenmemory aus Diamant.
Das Ergebnis ist die erste speicherunterstützte Verbindung, die die Kilohertz-Schwelle überschreitet, und übertrifft frühere Benchmarks für gefangene Ionen um den Faktor vier.
So funktioniert IonQs Quantenverbindung
Der Bau groß angelegter Quantencomputer stößt seit Langem auf eine physikalische Grenze: Werden Tausende empfindlicher Qubits auf einem einzigen Prozessor untergebracht, entstehen erhebliche Übersprech- und Steuerungsprobleme. Die Alternative ist modulares Quantencomputing, bei dem kleinere Chips über Glasfasern verbunden werden.
Herkömmliche Verbindungen erfordern, dass zwei unabhängige Photonen – eines von jedem Prozessor – gleichzeitig an einem Strahlteiler eintreffen und interferieren. Da an beiden Enden Photonenverluste auftreten, skaliert der Erfolg quadratisch mit der Übertragungseffizienz, wodurch die Verbindungsraten stark sinken.
IonQ vermied diesen Engpass durch einen heterogenen Ansatz. Gefangene Ionen eignen sich hervorragend für die Verarbeitung und die Aufrechterhaltung der Kohärenz, während Silizium-Fehlstellen-Zentren (SiV) in nanophotonischen Diamanthohlräumen besonders gut mit Licht interagieren.
Anstatt auf zwei passende Photonen zu warten, wird ein einzelnes 493,5-Nanometer-Photon des Barium-Ions durch Quantenfrequenzkonversion in 737,45 Nanometer umgewandelt, in frühe und späte Zeit-Bins konvertiert und vom SiV-Speicherhohlraum reflektiert. Der Nachweis dieses einzelnen reflektierten Photons bestätigt die Verschränkung und verschiebt die Erfolgsskalierung von quadratisch zu linear.
„Qubits durch Photonen zu übertragen, wird in jedem groß angelegten Quantencomputer notwendig sein, und diese Demonstration legt den Grundstein für einige beeindruckende Arbeiten in der Zukunft“, sagte Chris Monroe, Chief Scientist bei IonQ und Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor an der Duke University.
Die Erkenntnisse von eWEEK: Geschwindigkeit allein macht Quantennetzwerke nicht skalierbar
Die Demonstration von IonQ stellt einen Fortschritt bei der Verbindung unterschiedlicher Arten von Quantenhardware dar, doch eine schnellere Verschränkungserzeugung allein garantiert noch kein skalierbares Quantennetzwerk.
Das Unternehmen meldete durchschnittlich 1.032 heraldete verschränkte Paare pro Sekunde, bei einer Zielfintentität von 87,9 %. Heralding bedeutet, dass ein Detektionsereignis eine erfolgreiche Verschränkung signalisiert, während die Fidelity misst, wie genau der resultierende Quantenzustand dem beabsichtigten Zustand entspricht.
Die Ergebnisse verdeutlichen eine zentrale Herausforderung beim verteilten Quantencomputing: Verschränkung schnell zu erzeugen und zugleich die für zuverlässige Operationen erforderliche Qualität aufrechtzuerhalten. Schnellere Verbindungen könnten die Verzögerungen zwischen Quantenprozessoren verringern, doch fehlerhafte Zustände führen zu Fehlern, die beherrscht werden müssen.
Leistungskennzahl | Gemeldetes Ergebnis | Bedeutung |
| Verschränkungsrate | 1.032 Paare pro Sekunde | Demonstriert die Geschwindigkeit der heraldeten Verschränkungserzeugung |
| Zielfidelity | 87.9% | Zeigt die Qualität der erzeugten Zustände, wobei weiterhin Fehler auftreten |
| Hardwareverbindung | Gefangenes Barium-Ion und Quantenmemory aus Diamant | Demonstriert die Verschränkung zwischen unterschiedlichen Quantenhardware-Plattformen |
| Netzwerkgröße | Experimentelle Verbindung | Ein größerer Betrieb mit mehreren Knoten muss noch demonstriert werden |
Die Fähigkeit, unterschiedliche Qubit-Technologien zu verbinden, ist besonders bedeutsam. Quantenhardware-Plattformen haben unterschiedliche Stärken, und eine zuverlässige Verbindung könnte es Forschern künftig ermöglichen, spezialisierte Prozessoren und Speicher in einem größeren System zu kombinieren.
Anstatt sich für jede Funktion auf eine einzige Qubit-Architektur zu stützen, könnten künftige Quantencomputer unterschiedliche Technologien für Berechnung, Speicherung und Kommunikation einsetzen.
Für die Skalierung des Ansatzes müssen Forscher die Leistung über zusätzliche Knoten hinweg aufrechterhalten und zugleich Photonverluste, Synchronisierung und die Komplexität der Hardware bewältigen. Quantenmemorys auf Diamantbasis können zudem eine spezielle kryogene Kühlung erfordern, was eine weitere technische Herausforderung darstellt.
Für Technologieverantwortliche in Unternehmen ist die Errungenschaft am besten als Fortschritt bei der für verteiltes Quantencomputing benötigten Hardware zu betrachten, nicht als Beleg für die Einsatzbereitschaft. Die nächsten Meilensteine sind Verbesserungen bei der Fidelity, zuverlässige Verbindungen mit mehreren Knoten und Demonstrationen, die die Leistung auch bei einer Erweiterung der Systeme aufrechterhalten.
Wie es mit IonQs Quantenverbindung weitergeht
IonQ entwickelt die Architektur im Rahmen des DARPA-Programms Heterogeneous Architectures for Quantum (HARQ), das Verbindungen entwickeln soll, die unterschiedliche Quantencomputing-Plattformen vernetzen können, darunter gefangene Ionen, neutrale Atome und supraleitende Systeme.
„Unsere Technologie kann mit nahezu jedem Qubit-Typ interagieren. Daher erwarten wir eine Vielzahl von Möglichkeiten über mehrere Hardwaremodalitäten hinweg – vom modularen Computing bis zur vernetzten Sensorik und darüber hinaus“, sagte Mihir Bhaskar, Senior Vice President von IonQ und General Manager für Quantum Technologies bei SkyWater.
Das übergeordnete Ziel besteht darin, über einzelne experimentelle Verbindungen hinauszugehen und Netzwerke aufzubauen, die mehrere Quantengeräte unterstützen können. Dafür müssen Forscher eine zuverlässige Leistung über zusätzliche Knoten hinweg demonstrieren und zugleich die technischen Herausforderungen bei der Integration unterschiedlicher Hardware-Plattformen bewältigen.
Vorerst liefert die Demonstration von IonQ den Beleg, dass heterogene Quantensysteme Verschränkung mit höheren Raten herstellen können. Der nächste Test besteht darin, ob diese Leistung aufrechterhalten werden kann, wenn Forscher weitere Geräte zu zunehmend komplexen Quantennetzwerken verbinden.
Weitere Nachrichten: IBM ist in Phase C der DARPA-Initiative zum Quanten-Benchmarking vorgerückt, wodurch der Fahrplan für fehlertolerantes Quantencomputing in eine anspruchsvollere Phase unabhängiger Tests übergeht.