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Jul 10, 2023

Forschungszusammenfassung für August 2024

Von Dr. Chris Mansell, leitender wissenschaftlicher Autor bei Terra Quantum Nachfolgend finden Sie Zusammenfassungen einiger interessanter Forschungsarbeiten zur Quantentechnologie, die wir im letzten Monat gesehen haben. Titel:

Von Dr. Chris Mansell, leitender wissenschaftlicher Autor bei Terra Quantum

Nachfolgend finden Sie Zusammenfassungen einiger interessanter Forschungsarbeiten zur Quantentechnologie, die wir im letzten Monat gesehen haben.

Titel: Hocheffiziente Einzelphotonenemission aus einem Silizium-T-Zentrum in einem NanostrahlOrganisationen: University of Maryland; Simon Fraser Universität; Photonic Inc. Optisch aktive Festkörper-Qubits sind wichtig für Quantencomputer, Netzwerke und Sensoren. Die Integration dieser Qubits in nanophotonische Geräte verbessert die Photonenemission und die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie. Die Forscher verwendeten eine Nanostrahlstruktur, die effizient Licht in einem Modus emittierte, der an eine mit Linsen versehene Singlemode-Faser angepasst war, wodurch sie mehr als 70 % der Emission des T-Zentrums sammeln konnten. Dies ist die höchste bisher dokumentierte T-Zentren-Zählungsrate. Der nächste Schritt nach vorn besteht darin, die Null-Phononenlinie an einen Hohlraummodus zu koppeln, um die Helligkeit zu erhöhen.Link: https://arxiv.org/abs/2308.04541

Titel: Skalierbare mehrteilige Verschränkung durch Spinaustausch in einem optischen GitterOrganisationen: University of Science and Technology of China; Fudan-Universität; Tsinghua Universität Optische Übergitter sind das natürliche System zur Durchführung paralleler Operationen an ultrakalten Atomen, während sich Quantengasmikroskope bei der Manipulation einzelner Atome auszeichnen. Hier wurden diese Technologien mit digitalen Mikrospiegelgeräten kombiniert, um großflächige mehrteilige Verschränkungen zu erzeugen und zu erkennen. Diese Architektur ermöglichte die Anwendung von Schichten von Quantengattern auf Atome, die in moderaten Abständen voneinander getrennt waren. Den Forschern gelang es, Bell-Zustände mit hoher Genauigkeit und langer Lebensdauer herzustellen und diese Verschränkung dann auf komplexere Zustände mit eindimensionalen Ketten und zweidimensionalen Plaquetten zu erweitern. Sie überprüften diese Verschränkung anhand strenger Kriterien.Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.073401

Titel: Die Debatte um QKD: Eine Widerlegung der Einwände der NSAOrganisation: ETH Zürich Die NSA steht der Quantenschlüsselverteilung (QKD) skeptisch gegenüber. Ihrer Ansicht nach handelt es sich bei QKD um eine kostspielige, aber dennoch unvollständige Lösung, die schwierig zu implementieren ist, spezielle Ausrüstung erfordert und das Risiko von Insider-Bedrohungen und Denial-of-Service-Angriffen erhöht. Sie kommen zu dem Schluss, dass diese Einschränkungen es derzeit für den Einsatz ungeeignet machen. Ein neuer Vorabdruck hat Gegenargumente zu jedem der Punkte der NSA vorgelegt. Die Autoren bestreiten einige der Behauptungen und halten sie für ungerechtfertigt, räumen jedoch ein, dass andere Probleme bestehen, die aber wahrscheinlich in absehbarer Zukunft gelöst werden könnten. Sie listen die von der NSA hervorgehobenen technischen Einschränkungen auf und erläutern ihre Haltung dazu unter Berücksichtigung ihrer kurz-, mittel- und langfristigen Gültigkeit.Link: https://arxiv.org/abs/2307.15116

Titel: Potenzieller Energievorteil der QuantenökonomieOrganisationen: The University of Chicago; qBraid Co.; SeQure Co.; Universität von Toronto; Universität Hongkong Diese Studie konzentriert sich auf den steigenden Energiebedarf des modernen Computersektors aufgrund der weit verbreiteten Verwendung groß angelegter maschineller Lern- und Sprachmodelle. Es befasst sich mit der Bedeutung der Energieeinsparung für Computerdienstleister im Hinblick auf ihre Marktexpansion und die Einhaltung staatlicher Vorschriften. Die Autoren bewerten die Möglichkeit, dass Quantencomputer einen Energievorteil gegenüber klassischem Computing haben. Sie schlagen vor, dass Quantencomputing eine nachhaltigere Entwicklung für die Computerindustrie bieten könnte, allerdings nur, wenn Quantencomputing in ausreichendem Umfang eingesetzt wird. Mithilfe realer physikalischer Parameter quantifizieren sie den Betriebsumfang, der zum Erreichen dieses energieeffizienten Vorteils erforderlich ist.Link: https://arxiv.org/abs/2308.08025

Titel: Modulare supraleitende Qubit-Architektur mit einem abstimmbaren Multi-Chip-KopplerOrganisation: Rigetti Computing Das Papier beschreibt drei verschiedene Designs von abstimmbaren Multi-Chip-Kopplern, die Vakuumspaltkondensatoren oder supraleitende Indium-Bump-Bonds verwenden, um einen schwebenden abstimmbaren Koppler zu schaffen, der Wechselwirkungen zwischen Qubits auf separaten Chips vermittelt, um eine modulare Architektur aufzubauen. Das Papier zeigt auch, dass Zwei-Qubit-Gate-Operationen zwischen Chips eine Genauigkeit auf dem gleichen Niveau haben können wie Qubits mit einem abstimmbaren Koppler auf einem einzelnen Chip. Eine solche Technologie könnte für die Schaffung eines modularen und skalierbaren Quantencomputers wichtig sein.Link: https://arxiv.org/abs/2308.09240

Titel: Constant-Overhead Fault-Tolerant Quantum Computation with Reconfigurable Atom ArraysOrganisationen: The University of Chicago; Harvard Universität; Kalifornisches Institut der Technologie; Universität von Arizona; QuEra Computing Inc. Dieser Vorabdruck schlägt eine praktische Methode für fehlertolerante Quantenberechnungen unter Verwendung von Quanten-Low-Density-Parity-Check-Codes (qLDPC) auf rekonfigurierbaren Atomarrays vor. Diese Codes bieten hohe Codierungsraten, stellen jedoch experimentell anspruchsvolle Anforderungen an die Konnektivität über große Entfernungen. Das Team entwickelte einen effizienten Ansatz, der die Produktstruktur von qLDPC-Codes nutzt, indem es eine Atomumlagerung nutzt, um eine nicht-lokale Syndromextraktion zu ermöglichen. Sie überprüften die Fehlertoleranz ihrer Protokolle, führten Simulationen von Speicher und logischen Operationen durch und stellten fest, dass ihr qLDPC-basierter Aufbau den Oberflächencode hinsichtlich der Qubit-Anforderungen übertrifft. Dies öffnet die Tür zu praktischem Quantencomputing mit geringem Overhead unter Verwendung von qLDPC-Codes und vorhandenen experimentellen Techniken.Link: https://arxiv.org/abs/2308.08648

Titel: Fehlertoleranter Quantenspeicher mit hohem Schwellenwert und geringem Overhead. Organisation: IBM Die Forscher haben ein Quantenfehlerkorrekturprotokoll entwickelt, das aus einem LDPC-Quantencode, einer Syndrom-Messschaltung und einem Decodierungsalgorithmus besteht. Der LDPC-Code verfügt über eine hohe Codierungsrate und zeigt eine hervorragende Leistung im Nahschwellenbereich. Ihr Protokoll erreicht eine beeindruckende Fehlerschwelle von 0,8 %, was bedeutet, dass eine praktische Fehlerkorrektur möglich wird, wenn die physikalische Fehlerrate des Quantensystems unter diesem Wert bleibt. Dieser Schwellenwert ist vergleichbar mit der Leistung des etablierten Oberflächencodes. Sie zeigten, dass ihre Methode 12 logische Qubits für zehn Millionen Zyklen mit nur 288 physikalischen Qubits bewahrt, eine erhebliche Verbesserung gegenüber bestehenden Methoden, die über 4000 Qubits erfordern würden. Die Hardwareanforderungen zur Umsetzung ihres Schemas sind relativ gering und könnten möglicherweise durch verbesserte supraleitende Architekturen erfüllt werden.Link: https://arxiv.org/abs/2308.07915

Titel: Schrödinger-Heisenberg Variational Quantum AlgorithmsOrganisationen: University of Science and Technology of China; Shanghai Forschungszentrum für Quantenwissenschaften; Universität Peking Um das Problem der begrenzten Schaltungstiefe von NISQ-Geräten zu lösen, stellen die Autoren dieses Artikels einen neuen Ansatz namens Schrödinger-Heisenberg Variational Quantum Algorithms (SHVQAs) vor. Bei dieser Methode wird eine rauschfreie klassische Simulation eines tiefen Quantenschaltkreises durchgeführt und ein flacher Quantenschaltkreis auf einem Quantenprozessor ausgeführt. Dies wird als Kombination einer virtuellen Heisenberg-Schaltung mit einer echten flachen Schrödinger-Schaltung bezeichnet. Im Vergleich zu den üblichen Ansätzen für Variationsquantenalgorithmen kann ein viel größerer Hilbert-Raum erforscht werden. Numerische Experimente bestätigten, dass SHVQAs erfolgreich Zufallszustände annähern, Lösungen für Quantenmodelle verbessern und molekulare Strukturen simulieren konnten. Diese Arbeit fördert zusammen mit einer wirksamen Fehlerminderung genaue Quantenalgorithmen auf kurzfristiger Quantenhardware.Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.060406

Titel: Autonome Quantenfehlerkorrektur und fehlertolerante Quantenberechnung mit gequetschten Cat-QubitsOrganisationen: The University of Chicago; Universität Innsbruck; Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften In dieser Arbeit wurde ein Quantenfehlerkorrekturschema unter Verwendung von Squeezed Cat (SC)-Zuständen entwickelt, um Anregungsverluste in kontinuierlich variablen Quantensystemen zu bekämpfen. Durch die Konstruktion der Systemumgebung oder des Reservoirs zeigten die Autoren, dass eine kontrollierte Dissipation einen Zweikomponenten-SC-Code stabilisieren und gleichzeitig die Fehler autonom korrigieren kann. Die Dissipation beinhaltet spezifische Wechselwirkungen zwischen bosonischen Moden oder zwischen einem bosonischen Mode und einem Qutrit. Dieses Schema ist auf verschiedene Quantenplattformen wie supraleitende Schaltkreise und Systeme mit eingefangenen Ionen anwendbar und stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Methoden dar.Link: https://www.nature.com/articles/s41534-023-00746-0

Titel: Experimentelles Benchmarking eines automatisierten deterministischen Fehlerunterdrückungs-Workflows für QuantenalgorithmenOrganisation: Q-CTRL In diesem Artikel wird ein autonomer Arbeitsablauf mit dem Namen „Fire Opal“ vorgestellt, der die Fehler, die während einer Quantenberechnung auftreten, deterministisch minimiert, angefangen bei Operationen auf Gate-Ebene bis hin zur Schaltungsausführung und -messung. Der Workflow umfasst fehlerbewusste Kompilierung, automatische systemweite Gate-Optimierung, dynamische Entkopplung und effiziente Messfehlerminderung. Auf IBM-Hardware wurden umfangreiche Benchmarks durchgeführt, die eine über tausendfache Verbesserung im Vergleich zu bestehenden Techniken zur Fehlerreduzierung zeigten. Die Experimente umfassten verschiedene Quantenalgorithmen und demonstrierten die Wirksamkeit des Ansatzes, indem er andere Methoden übertraf. Die Ergebnisse unterstreichen die Rolle von Nicht-Markovian-Fehlern bei der Algorithmusleistung und unterstreichen die Wirksamkeit des vorgeschlagenen deterministischen Fehlerunterdrückungs-Workflows.Link: https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.024034

Titel: Eine konzeptionelle Architektur für eine Quantum-HPC-MiddlewareOrganisationen: Universität Utrecht; Rutgers-Universität; Brookhaven National Lab; Ludwig-Maximilians-Universität München; BMW Group Die Forscher betrachteten den Übergang von einzelnen, monolithischen Quantencomputersystemen zu modulareren Aufbauten, die aus mehreren Quantenverarbeitungseinheiten bestehen, die mit klassischen Computerknoten verbunden sind. Mit zunehmender Größe dieser Systeme werden sogenannte Middleware-Systeme von entscheidender Bedeutung, um die Lücke zwischen Quanten- und klassischem Computing zu schließen. Um dieses Problem anzugehen, schlugen sie einen konzeptionellen Rahmen vor, der auf etablierten Konzepten für Hochleistungsrechnen aufbaut. Ihre Analyse zielte darauf ab, die Integration entsprechend den verschiedenen Arbeitsabläufen zu erleichtern, die für Optimierung, maschinelles Lernen und Simulation erforderlich sind.Link: https://arxiv.org/abs/2308.06608

29. August 2023

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