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Honeywell wird Quantencomputer auf eingefangenen Ionen in der Quantenwolke von Microsoft platzieren

Seit vielen Jahren entwickeln Wissenschaftler verschiedene Systeme, auf denen Quantenalgorithmen ausgeführt werden können. Die meisten von ihnen haben einen oder zwei Vorteile - einfache Handhabung oder die Fähigkeit, ihren Zustand länger als andere zu halten - es gibt jedoch keine anderen positiven Eigenschaften, die sie daran hindern, praktische Lösungen für das Rechnen zu werden. In den letzten Jahren haben einige Unternehmen jedoch herausgefunden, wie eine erhebliche Anzahl von Festkörper-Qubits manipuliert werden kann - die sogenannten Transmons . Da die Technologie zur Herstellung von Transmons der Herstellung herkömmlicher Chips ähnelt, haben sich viele Akteure auf dem aufstrebenden Markt - darunter Google, IBM und Rigetti - für Transmons entschieden.

Transmons sind jedoch nicht perfekt. Sie erfordern extrem niedrige Temperaturen, geringe Variabilität von Gerät zu Gerät und halten ihren Zustand gut, aber nicht perfekt. Viele Experten auf diesem Gebiet glauben, dass eine andere Technologie immer noch die Chance hat, Transmons zu übertreffen.

Und jetzt setzt auch ein Unternehmen, das neu auf dem Quantencomputermarkt ist, darauf. Honeywell, ein Unternehmen, das besser als Lieferant des Verteidigungsministeriums bekannt ist, kündigte die Schaffung eines Quantencomputers an, der auf der alternativen Technologie der "Ionenfallen" basiert und in diesem Jahr über den Microsoft Azure-Clouddienst Zugriff auf seine Computer gewähren wird. Das Unternehmen behauptet auch, dass dies nach einigen Schätzungen der bisher leistungsstärkste Quantencomputer ist. Diese Aussage sollte jedoch sehr sorgfältig getroffen werden.

Gefangen

Übergangs-Qubits funktionieren, wenn Strom in einer Schleife eines supraleitenden Drahtes zirkuliert, der mit einem Resonator verbunden ist, wodurch der aktuelle Zustand gesteuert und gelesen werden kann. Da jedoch der supraleitende Draht und der Resonator in der Produktion hergestellt werden müssen, kann dies zum Auftreten kleiner Unterschiede zwischen den einzelnen Qubits führen. Außerdem muss all dieses Eisen auf einer extrem niedrigen Temperatur gehalten werden, die nur geringfügig über dem absoluten Nullpunkt liegt, um diese relativ großen Objekte in ihrem Hauptquantenzustand zu halten.

Gefangene Ionen bieten die Möglichkeit, einige dieser Probleme zu umgehen. Das Qubit selbst besteht aus einer kleinen Anzahl von Atomen - im Fall von Honeywell aus zwei. Tony Attley, President für Quantenlösungen bei Honeywell, betont, dass diese Tatsache Produktionsprobleme beseitigt, da jedes Gerät die gleichen Eigenschaften wie das verwendete Atom (in diesem Fall Ytterbium) aufweist. "Jedes Qubit beginnt mit einem Ideal", sagte Attley. "Jeder Fehler kommt von der umgebenden Infrastruktur."

Dank der Erfahrung von Honeywell bei der Herstellung und Integration dieser Infrastruktur sind die Ingenieure des Unternehmens ideal positioniert, um dieses Geräusch zu minimieren. Zusätzlich können solche kleinen Atomcluster mit Lasern gekühlt werden. Obwohl die Umgebungstemperatur sehr niedrig gehalten werden muss, muss sie nicht die für das Transmon erforderlichen extremen Temperaturen erreichen.

Im Fall von Honeywell waren Ytterbiumatome mit Lasern nicht so einfach zu kühlen, daher fügte das Unternehmen dem System einige Bariumatome hinzu und kühlte sie mit einem Laser. Ein Cluster aus vier Ionen ist leicht zu kühlen und zu kontrollieren, und es reicht aus, die Umgebung auf einer Temperatur von 12 K zu halten. Dies erfordert zwar flüssiges Helium, erfordert jedoch nicht die hochentwickelte Verflüssigungskühlanlage, die für Eisen von Google und IBM erforderlich ist.

Da die Ionen geladen sind, können sie innerhalb des Geräts bewegt werden, indem einfach die lokalen elektrischen Felder mit 200 in das Gerät eingebauten Elektroden geändert werden. Der Zustand von Elektronen in Ionen kann unter Verwendung von Lasern mit einer bestimmten Wellenlänge gesteuert werden, die in der Lage sind, Elektronen in eine Überlagerung mit potentiellen Energiezuständen zu bringen. Verschränkung und verschiedene logische Operationen können einfach ausgeführt werden, indem zwei Ionen näher beieinander bewegt werden und Laser verwendet werden, die mit beiden gleichzeitig arbeiten. Das Lesen erfolgt durch Stimulation von Ionen durch einen anderen Laser, wodurch die Ionen gezwungen werden, ein Photon zu emittieren, anhand dessen ihr Zustand beurteilt werden kann.

Honeywell-Gerät

Ein Gerät von Honeywell kann als eine Reihe einzelner Geräte betrachtet werden. Ionen kommen von einem Ende, die sich dann entlang aufeinanderfolgender Abschnitte bewegen, wo sie für die Speicherung verzögert oder mit Lasern bestrahlt werden können, die Qubits manipulieren. Logische Operationen (das Quantenäquivalent von AND und NOT) können einfach ausgeführt werden, indem zwei Ionen nebeneinander platziert und gleichzeitig operiert werden. Zusätzlich können Cluster von vier Ionen (zwei Ytterbium, zwei Barium) in zwei Teile geteilt oder zwei Cluster von zwei Ionen kombiniert werden.

Das Gerät, über das Honeywell heute spricht, richtet vier Qubits in derselben Zeile dieser Speicher- und Handhabungsschritte aus. Das Diagramm der Vorrichtung zeigt jedoch auch zwei zusätzliche Linien der Lagerungs- und Handhabungsstufen, die von beiden Seiten der in den ersten Experimenten verwendeten Linie ausgehen. Dies steht im Einklang mit den Aussagen von Attley: Honeywell ist der Ansicht, dass das Gerät schnell skaliert werden kann und dass jährlich zusätzliche Qubits hinzugefügt werden können, ohne die Architektur grundlegend zu ändern. Obwohl vier Qubits im Vergleich zu Geräten mit Transmons nicht ausreichen, ist das Unternehmen der Ansicht, dass es diese Lücke schnell schließen kann.

Viele Laser sind erforderlich, um den Zustand der Qubits zu steuern

Einer der interessanten Aspekte eines solchen Schemas, der laut Attley in anderen bestehenden kommerziellen Systemen fehlt, ist die Fähigkeit, Qubits einzeln zu messen, ohne andere Teile des Systems zu stören. (Technisch erfolgt dies mit der Operation mit dem fantastischen Namen CNOT - Quantenteleportationslüfter). Es ermöglicht dem Computer, das Äquivalent der ZF-Verzweigung durchzuführen und den Algorithmus basierend auf den Ergebnissen der Messung eines einzelnen Qubits zu ändern. Nach dem Messen kann das Qubit auch in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt und für weitere Berechnungen wiederverwendet werden.

Die einzelnen Komponenten des Systems verhalten sich einwandfrei. Ein potenzielles Problem sind "Zustandsvorbereitungs- und Messfehler", die mit SPAM (Zustandsvorbereitungs- und Messfehler) abgekürzt wurden. In diesem Fall stellten Forscher von Honeywell fest, dass SPAM von Messfehlern dominiert wird, die jedoch in weniger als 1% der Fälle auftreten. Bei Single-Qubit-Gates treten Fehler um eine Größenordnung seltener auf, bei Two-Qubit-Gates auf einem ähnlichen Niveau. Und das alles ist viel niedriger als typische Indikatoren für Transmon.

Über diesen Leistungsindikator

Honeywell stellt dies als den „leistungsstärksten Quantencomputer der Welt“ dar. Die Richtigkeit der Aussage hängt jedoch stark von den verwendeten Geschwindigkeitsmessschemata ab. Honeywell verwendet ein von IBM definiertes Maß und nennt es "Quantenvolumen". Wir werden einen Teil der Analyse des Quantenvolumens von Chris Lee zitieren, da er seine Verbindung mit dem Computer von Honeywell gut beschreibt:

Da Quantentore immer einen Fehler ergeben können, kann eine maximale Anzahl von Operationen ausgeführt werden, bevor es nicht zumutbar ist, den Qubit-Zustand als korrekt zu betrachten. Dieser Betrag, multipliziert mit der Anzahl der Qubits, gibt uns die Tiefe der Schaltung. Wenn es ehrlich verwendet wird, beschreibt es ziemlich genau, wozu ein Quantencomputer fähig ist.

Das Problem mit der Tiefe besteht darin, dass es möglich ist, die Gesamtzahl der Qubits konstant (und klein) zu halten, wodurch der Prozentsatz der Fehler auf sehr kleine Werte reduziert wird. Als Ergebnis erhalten Sie eine enorme Tiefe, aber gleichzeitig werden nur Berechnungen durchgeführt, die in die Anzahl der Qubits passen, die Sie haben. Ein Zwei-Qubit-Quantencomputer mit großer Tiefe wird immer noch unbrauchbar sein.

Es stellt sich heraus, dass der Zweck der Bewertung darin besteht, die Rechenfähigkeiten des Indikators auszudrücken, einschließlich der Anzahl der Qubits und der Tiefe der Schaltung. Für ein bestimmtes Volumen des Algorithmus und das Problem ist dies die Mindestanzahl von Qubits, die für die Berechnungen benötigt werden. Abhängig von der Verbindung der Qubits untereinander ist für die Implementierung des Algorithmus eine bestimmte Anzahl von Operationen erforderlich. Die Forscher drücken diese Zahl aus, indem sie die maximale Anzahl der an den Berechnungen beteiligten Qubits mit der Tiefe der Schaltung vergleichen und das Minimum dieser beiden Indikatoren quadrieren. Das maximal mögliche Quantenvolumen ist also einfach die Anzahl der Qubits im Quadrat.

Wie oben erwähnt, meldet Honeywell eine extrem niedrige Fehlerrate, was bedeutet, dass jede Berechnung, die auf vier Qubits seines Computers ausgeführt wird, höchstwahrscheinlich keine Fehler enthält. Und da Ionen nach Belieben im Gerät bewegt werden können, können sie beliebig miteinander verbunden werden. Es stellt sich heraus, dass das Quantenvolumen gleich der Anzahl der Qubits im Quadrat ist. Dies unterscheidet sich von der Leistung der von Google und IBM verwendeten Geräte, bei denen zehnmal mehr Qubits, aber viel mehr Fehler auftreten und Qubits nur mit einer kleinen Anzahl benachbarter Geräte verbunden werden können.

Damit eine Maschine von Honeywell die Maschinen ihrer Konkurrenten in Bezug auf das Quantenvolumen einholen kann, muss sie nicht zu viele zusätzliche Qubits hinzufügen. Die Struktur der Maschine, die heute beschrieben wird, ermöglicht es Ihnen definitiv, Qubits hinzuzufügen. Infolgedessen behauptet das Unternehmen ein Quantenvolumen von 64, was acht Qubits bedeutet, und es gibt allen Grund, dies zu glauben.

Wenn IBM jedoch bereits einen Computer mit fast 64 echten Qubits eingeführt hat und Google bald nachziehen sollte, wird das Wetter dann nur acht Qubits erzeugen? Die Antwort ist wie immer nicht eindeutig. Einige Algorithmen hängen stark von der Konnektivität von Qubits ab. Und obwohl sie auf größeren Computern mit weniger Konnektivität gestartet werden können, erfordert dies, dass eine größere Anzahl von Qubits als Verbindungsglieder dient und eine gleichwertige Konnektivität organisiert, und jeder von ihnen kann möglicherweise einen Fehler in die Berechnungen einbringen. Die hohe Konnektivität der Honeywell-Maschine kann den Bedarf an zusätzlichen Vorgängen ausgleichen, und Vorgänge sind immer noch nicht die Hauptfehlerquelle. Ionenfalle Nahaufnahme; Verschiedene Zonen zum Speichern und Bearbeiten von Qubits sind sichtbar

Und es gibt auch das Problem der Skalierung. Attley sagte, dass das Unternehmen in der Lage sein sollte, sein Quantenvolumen in den nächsten fünf Jahren jährlich um eine Größenordnung zu erhöhen, was das Hinzufügen von 3-4 Qubits pro Jahr erfordern würde. Dies bedeutet, dass der Computer auch nach fünf Jahren etwa 30 Qubits haben wird - die Hälfte der aktuellen Leistung der Wettbewerber. In der Zwischenzeit arbeiten Google und IBM daran, Fehler zu reduzieren und ihren Computern alle paar Jahre ein paar Dutzend Qubits hinzuzufügen.

Wenn die Pläne aller Unternehmen in Erfüllung gehen, wird die Situation in einigen Jahren sehr interessant. Honeywell wird einen signifikanten Vorteil im Quantenvolumen haben, und seine Konkurrenten mit Eisen auf Transmonen werden eine Größenordnung mehr Qubits haben. In der Zwischenzeit beabsichtigen Teams, die Transmons verwenden, Quantencomputer mit Fehlerkorrektur zu erstellen, für die Tausende von Qubits erforderlich sind. Dies bedeutet, dass die Forscher erwarten, dass sie irgendwann lernen werden, mit jeder neuen Generation von Chips Hunderte von Qubits hinzuzufügen.

Da es laut Unternehmen unklar ist, wann ein solches Wachstum von Qubits beginnen sollte, ist unklar, wie der Ausstieg von Honeywell die Wettbewerbslandschaft verändern kann.

Was werden wir bisher haben

Honeywell, ein Unternehmen, dessen Abteilungen alles von Sportartikeln bis hin zu Verträgen mit dem Militär tun, ist definitiv ein ungewöhnlicher Konkurrent in einem Markt, der von einer Mischung aus Startups und traditionellen Computerunternehmen dominiert wird. Das Unternehmen erzählte jedoch eine konsistente Geschichte seines Markteintritts: Im Rahmen seiner Fertigungsarbeiten entwickelte Honeywell viele Komponenten des Computers auf Ionenfallen - wie Photonik, Kryotechnik, Vakuumsysteme - für andere Zwecke. Und eine Gruppe von Wissenschaftlern des Unternehmens sagte, dass das Potenzial dieses Bereichs groß genug sei, um einen Entwicklungsversuch wert zu sein. Und da Honeywell ein großes Unternehmen ist, konnte es eine ziemlich starke Gruppe von Menschen rekrutieren, die sich für die Entwicklung dieses Projekts begeistern.

Wie andere Unternehmen in diesem Bereich hat Honeywell festgestellt, dass die meisten Unternehmen keine eigene Infrastruktur schaffen möchten, in der ihr Kühlsystem für flüssiges Helium betrieben werden kann. Daher wird Honeywell über die Cloud Zugriff auf seine Quantencomputer gewähren. Sie stimmte auch Microsoft zu, damit auf das System über den Azure-Dienst zugegriffen werden kann.

Um die Programme zu schreiben, die in der aktuellen Arbeit verwendet werden, haben die Forscher von Honeywell Qiskit angepasstvon IBM, einem Open-Source-Tool, mit dem Sie Quantenalgorithmen in einer Form beschreiben können, die nicht an eine bestimmte Hardware gebunden ist, und dann echte Befehle zum Ausführen des Programms auf einer bestimmten Hardware (z. B. einem plattformübergreifenden Compiler) ausgeben. Das Unternehmen hofft daher, bestehende Expertenlösungen nutzen zu können. Dies kann auch bedeuten, dass Unternehmen in der Lage sind, eine Reihe von Quantenalgorithmen zu entwickeln und diese dann auf allen Systemen mit den Eigenschaften auszuführen, die sie benötigen - hohe Konnektivität oder eine große Anzahl von Qubits -, um die erforderliche Leistung zu erzielen.

Freunde und Konkurrenten

Möglicherweise aufgrund der Einführung einer völlig neuen Architektur kombinierte das Unternehmen die Ankündigung seiner Technologie mit zwei Beiträgen zu Unternehmen, die bereits Quantenalgorithmen entwickeln. Sie kündigte auch an, dass der Finanzriese JPMorgan Chase mit Honeywell zusammenarbeiten wird, um die Möglichkeiten der Verwendung ihres Systems zur Entwicklung von Finanzalgorithmen zu untersuchen. Dies bedeutet nicht, dass das System vollständig betriebsbereit ist. Wir haben bereits mit Leuten von JPMorgan Chase gesprochen und sie sagten, dass sie versuchen zu garantieren, dass das Unternehmen vollständig für praktische Quantencomputer bereit ist.

All dies spricht dafür, dass Honeywell seine Entwicklungen ernst nimmt und hofft, einer der Hauptkonkurrenten im Bereich des Quantencomputers zu werden. Und wenn ihre Vorhersagen für die Zukunft wahr werden, dann ist es wahrscheinlich.

Der Beobachter könnte versucht sein, die Situation mit der Rivalität traditioneller Computerarchitekturen zu vergleichen, in denen x86 und ARM heute aktiv kämpfen. Diese unterschiedlichen Architekturen werden jedoch mit denselben Methoden erstellt und arbeiten mit denselben Komponenten. Im beschriebenen Fall basieren zwei konkurrierende Architekturen auf physikalisch völlig unterschiedlichen Systemen, in denen nur einige Arbeitsregeln übereinstimmen. Dies ist eine völlig andere Reihe von Bedingungen und viel interessanter.