Wird der Schritt in Richtung Quanten-RAM mit Mikrowellenimpulsen erfolgen?

Wird die Reise in Richtung Quanten-RAM mit Mikrowellenimpulsen erfolgen?
Wird der Weg zum Quanten-RAM über Mikrowellenimpulse führen - Forscher haben eine RAM-Vorrichtung aus einem Siliziumchip entwickelt, in den ein supraleitender Schaltungsresonator und Wismutatome eingebettet sind. Chirp-Mikrowellenimpulse übertragen Quanteninformationen zwischen dem Resonator und den Wismutatomen hin und her, und die Informationen werden in den Spinzuständen der Atome gespeichert. - APS/Carin Kain

Ein neues Quanten-RAM-System ist viel hardwareeffizienter als frühere Modelle, da es Daten mit hörbaren elektromagnetischen Impulsen und supraleitenden Resonatoren liest und schreibt.

Der Arbeitsspeicher eines Computers, auch RAM genannt, fungiert als Kurzzeitspeicher, aus dem Daten schnell abgerufen werden können. RAM wird von Apps auf Ihrem Telefon oder Computer verwendet, sodass Sie sofort zwischen Aufgaben wechseln können. Theoretisch könnten vergleichbare Quanten-RAM-Komponenten die Ausführung eines Quantenalgorithmus beschleunigen oder die Informationsdichte erhöhen, die in einem Quantenprozessor gespeichert werden kann, so Forscher, die an Quantencomputern arbeiten. James O'Sullivan vom London Centre for Nanotechnology hat eine hardwareeffiziente Methode zum Speichern und Abrufen von Quanteninformationen in Atomspins unter Verwendung von gechirpten Mikrowellenimpulsen demonstriert, ein wichtiger Schritt zur Realisierung von Quanten-RAM.

Experimentelle Demonstrationen von Quantenspeichergeräten wie Quantencomputing stecken noch in den Kinderschuhen. Supraleitende Schaltkreise auf Metallbasis werden in einer der beliebtesten chipbasierten Quantencomputerplattformen verwendet. Die in der Zentraleinheit dieses Systems verwendeten supraleitenden Qubits senden und empfangen Daten über Mikrowellenphotonen. Derzeit gibt es jedoch keine Quantenspeichertechnologie, die diese Photonen über lange Zeiträume stabil speichern kann. Glücklicherweise haben Wissenschaftler einige Vorschläge.

Die Verwendung von Spins von Verunreinigungsatomen im Chip der supraleitenden Schaltung ist eines dieser Konzepte. Eine der grundlegenden Quanteneigenschaften eines Atoms ist der Spin. Es wird mit oder gegen ein angelegtes Magnetfeld ausgerichtet, wie z. B. eine interne Kompassnadel.

Speichern von Quanteninformationen

Diese beiden Ausrichtungen, die zum Speichern von Quanteninformationen verwendet werden können, können mit den Nullen und Einsen eines klassischen Bits verglichen werden. Die Spins der Verunreinigungsatome können als "multimodale" Speichervorrichtung fungieren, die gleichzeitig Informationen von vielen Photonen speichert, wenn sich viele davon auf dem Chip befinden.

Die Informationsspeicherzeiten von Atomspins können im Vergleich zu supraleitenden Qubits viel länger sein. Beispielsweise haben Studien gezeigt, dass Siliziumbauteile mit Wismutatomen Quanteninformationen länger als eine Sekunde speichern können.

Man mag sich fragen, warum nicht Spin-Qubits anstelle von supraleitenden Qubits verwendet werden. Es gibt zwar Forscherteams, die atombasierte Quantencomputer entwickeln, aber die Manipulation und Messung von Atomspins birgt besondere Herausforderungen.

Supraleitende Qubits und Atomspins werden hybrid kombiniert, aber in diesem Fall hat sich die Verwendung von Mikrowellenphotonen zum Transport von Daten zwischen den beiden Systemen als schwierig erwiesen. Forscher haben bereits gezeigt, dass ein Atomspin-Ensemble Informationen von Mikrowellenphotonen absorbieren und empfangen kann, aber diese Experimente erforderten die Verwendung spezieller supraleitender Schaltkreise oder starker Magnetfeldgradienten, die beide die Hardware für einen Quantenspeicher erschweren.

O'Sullivan und Kollegen stellen einen ausgeklügelten, hardwareeffizienten Ansatz für die Speicherung und den Abruf von Mikrowellenphotoneninformationen vor. Die Erfindung des Teams ist ein supraleitender Schaltungsresonator, der auf einem mit Wismutatomen beschichteten Siliziumchip montiert ist.

Das Team fügte schwache Mikrowellenanregungen mit etwa 1000 Photonen in den Resonator ein; diese Photonen wurden von den Spins der Wismutatome absorbiert. Dann verwendeten sie frequenzgesteigerte elektromagnetische Mikrowellenimpulse, um den Resonator zu treffen, wodurch ein zwitschernder Effekt erzeugt wurde. Auf diese Weise wurde den Spins durch die in den Photonen enthaltene Quanteninformation eine spezielle „Phasen“-Kennung aufgeprägt, die die relativen Leuchtfeuerpositionen benachbarter Spins erfasst. Das Team gewann diese Informationen dann zurück, indem es einen identischen Impuls an die Spinsammlung anlegte, von dem sie entdeckten, dass es diese eingeprägte Phase umkehrte und die Photonen zurück zum supraleitenden Schaltkreis übertrug.

Datenspeicherung mit Mikrowellenimpulsen

O'Sullivan und Kollegen zeigen, dass Speichersysteme gleichzeitig viele Pakete photonischer Daten als vier schwache Mikrowellenpulse speichern können. Noch wichtiger ist, dass sie zeigen, dass Daten in beliebiger Reihenfolge zurückgelesen werden können, was beweist, dass ihr Tool wirklich als RAM funktioniert.

Das Team behauptet, in diesem ersten Test eine Effizienz von 3 % erreicht zu haben, was darauf hindeutet, dass das Gedächtnis die meisten Informationen verloren hat. Infolgedessen ist ihre Technologie noch weit davon entfernt, die zuverlässige Speicherung und den Abruf bereitzustellen, die für einen zukünftigen Quantencomputer erforderlich sind. Der Grund für diese geringe Effizienz liegt nach der Betrachtung möglicher Ursachen nicht im Übertragungsprozess, sondern im Verbesserungspotential des Gerätes.

Die Gruppe glaubt, dass sie die Effizienz des Geräts erheblich steigern können, indem sie die Spins erhöhen.

Neben der Speicherung von Informationen können Quanten-RAM-Komponenten auch dazu beitragen, die Qubit-Dichte in einem Quantenprozessor zu erhöhen. IBM stellte im September Project Goldeneye vor, einen massiven Verdünnungskühlschrank. Dieses superkalte Biest, das den supraleitenden Quantencomputer der nächsten Generation von IBM beherbergen wird, hat ein größeres Volumen als drei Standard-Gefrierschränke. Angesichts der Tatsache, dass derzeit verfügbare supraleitende Quantencomputer eine Dichte von weniger als 100 Qubits pro Quadratmillimeter haben, ist klar, warum IBM einen so großen Kühlschrank braucht. Dieses Größenproblem könnte eines Tages durch das von O'Sullivan und Kollegen entwickelte spinbasierte Quantenspeichergerät gelöst werden, das theoretisch mehrere Qubit-Zustände auf dem Platz speichern kann, der derzeit nur von einem belegt wird.

Quelle: physical.aps.org/articles/v15/168

 

 

 

Günceleme: 23/01/2023 16:26

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