AktuelleR Stand von Technologieplattformen
Die Anforderungen zur Entwicklung eines Quantencomputers bzw. eines Quantensimulators sind interdisziplinär (Informatik, Physik, Elektrotechnik) und in allen Bereichen als besonders anspruchsvoll anzusehen. Der Entwicklungsstand sowohl bei den Quantencomputern als auch bei den Quantensimulatoren ist geprägt von einer Vielzahl konkurrierender Ansätze. Größen wie die Konnektivität der Qubits, sowie Präparations-, Gatter- und Auslegten sind relevant. Da der Stand der Entwicklung der verschiedenen Systeme sehr unterschiedlich ist, ist es aktuell nicht möglich abzuschätzen, welches System sich langfristig als überlegen herausstellen wird. Unterschiedliche Probleme können auch langfristig von unterschiedlichen Systemplattformen profitieren.
Der Übergang des digitalen und des analogen Quantenrechners bzw. von Quantensimulatoren ist hier fließend – eine Unterscheidung ist in der Verfügbarkeit von Quanten-Fehlerkorrektur im digitalen Quantenrechnern.
DIGITALES QUANTENRECHNEN
Supraleiter- basierte Ansätze zählen aktuell zu den am weitest entwickelten Systemen. Vor allem Transmon-basierte Systeme mit ˜50 Qubits nehmen eine Schlüsselposition ein und zeichnen sich durch hohe Gattergüte und schnelle Quantengatter aus.
Google konnte vor kurzem mit seinem 53-Qubit Sycamore Prozessor erste Anzeichen von Quantenüberlegenheit für ein Beispiel in einem zufälligen Quantenschaltkreis zeigen.
Innenfallen- Qubits erlauben ähnliche Systemgrößen wie supraleitende Systeme bei vergleichbaren Gattergüten und langen Kohärenzzeiten und eignen sich ebenfalls gut für Quantensimulationen.
Deutschland ist im Vergleich zu den anderen Plattformen in der Forschung im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung mit Ionen und Neutralatomen seit Langem stark aufgestellt.
Neutralatom- Qubits basierend auf gefangenen Atomen in optischen Gittern bieten einen vielversprechenden Ansatz. Systemgrößen von mehreren hunderten von Atomen flexiblen zweidimensionalen Strukturen wurden hier bereits demonstriert.
Auch hier haben sich international und in europäischen Kollaborationen bereits mehrere Start-Up Unternehmen gebildet, die diese Forschung verfolgen.
Spin-basierte Ansätze beruhen vor allem auf Quantenpunkten in Halbleitern und Fehlstellen, z.B. in Diamanten. Der Entwicklungsstand von gatterdefinierten Quantenpunkten liegt u.a. bezüglich der Integration weitaus hinter den anderen Ansätzen.
Die Gattergüten sind dagegen bereits vielversprechend und zeichnen sich durch hohe Robustheit gegenüber Störfaktoren aus. Gerade bei Silizium-basierten Ansätzen gibt es eine hohe Ähnlichkeit zu den klassischen PCs.
QUANTENSIMULATOREN UND ANALOGES QUANTENRECHNEN
Quantensimulatoren haben den Vorteil gegenüber universellen Quantencomputern der leichteren Realisierbarkeit. Jedoch stellt die Identifikation der Anwendungen wesentliche Herausforderung dar, da der beschreibende Hamilton-Operator eine eingeschränkte Flexibilität aufweist.
QS als analoge Zwischenstufe sind für anspruchsvolle Aufgaben z.B. Materialforschung geeignet und adressieren eine hohe Relevanz für die Industrie.
…Die dabei eingesetzten Plattformen sind größtenteils deckungsgleich mit den oben beschriebenen Plattformen zum Quantencomputing.
Freilich lassen sich viele der Systeme vorteilhaft für analoges und digitales Quantenrechnen und Quantensimulationen einsetzen.
Mittelfristig ergeben sich hervorragende Ansätze zur Lösung von Optimierungsproblemen – u.v.m.
Adiabatische Quantencomputern die auch als analoge Quantenrechner angesehen werden können.
Die aktuelle Forschung in dem Bereich wird international immer attraktiver.
Dieser Ansatz ist im Grunde äquivalent zu den gatterbasierten Ansätzen und ermöglicht zudem einen natürlichen Zugang zu industriell relevanten kombinatorischen Optimierungsproblemen.
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