Russische Wissenschaftler stellten eine Entwicklung vor, die ihrer Meinung nach das Leben der Menschheit radikal verändern sollte. Die größten Technologiekonzerne der Welt entwickeln Quantencomputer, die millionenfach schneller laufen können als moderne Betriebssysteme. Aber sie haben den Sieg ihrer Kollegen bereits anerkannt.

Gestern schien es fantastisch: Quantencomputer, die alle vorhandenen Geräte übertreffen können. Sie sind so mächtig, dass sie entweder der Menschheit neue Horizonte eröffnen oder alle Sicherheitssysteme lahmlegen können, weil sie sie hacken können.

„Ein funktionierender Quantencomputer ist viel schlimmer als eine Atombombe“, sagt Sergei Belousov, CEO von Acronis und Mitbegründer des russischen Quantenzentrums.

Die größten Konzerne investieren in die Entwicklung: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Doch heute steht Michail Lukin im Mittelpunkt, ein Harvard-Physiker und einer der Gründer des Russischen Quantenzentrums. Seinem Team gelang es, den bislang leistungsstärksten Quantencomputer zu entwickeln.

„Dies ist eines der größten Quantensysteme, die je geschaffen wurden. Wir betreten ein Regime, in dem klassische Computer mit Berechnungen nicht mehr zurechtkommen. Wir machen bereits kleine Entdeckungen, wir haben neue Effekte gesehen, die theoretisch nicht erwartet wurden, die wir jetzt verstehen können, wir versuchen sie zu verstehen, wir verstehen sie noch nicht einmal vollständig“, sagt Professor an der Harvard University, Mitbegründer des Russischen Quantenzentrum Michail Lukin.

Alles wegen der Leistung solcher Geräte. Berechnungen, die auf heutigen Supercomputern Tausende von Jahren dauern würden, können von einem Quantencomputer im Handumdrehen durchgeführt werden.

Wie es funktioniert? In herkömmlichen Computern sind Informationen und Berechnungen Bits. Jedes Bit ist entweder eine Null oder eine Eins. Aber Quantencomputer basieren auf Qubits und können sich in einem Überlagerungszustand befinden, in dem jedes Qubit sowohl eine Null als auch eine Eins ist. Und wenn gewöhnliche Computer für eine Berechnung grob gesagt Sequenzen erstellen müssen, dann erfolgen Quantenberechnungen parallel und in einem Augenblick. In Michail Lukins Computer gibt es 51 solcher Qubits.

„Zuerst hat er ein System mit den meisten Qubits erstellt. Nur für den Fall. Zum jetzigen Zeitpunkt denke ich, dass das mehr als doppelt so viele Qubits sind wie bei allen anderen. Und er hat konkret 51 Qubits hergestellt, nicht 49, weil Google immer wieder gesagt hat, dass sie 49 machen würden“, erklärt Sergei Belousov, CEO von Acronis und Mitbegründer des russischen Quantenzentrums.

Ihm wurde die Schaffung des leistungsstärksten Quantencomputers vorhergesagt. John Martinez ist der Leiter des weltweit größten Quantenlabors, der Google Corporation. Und er hatte vor, seinen 49-Qubit-Computer erst in wenigen Monaten fertigzustellen.

„22 Qubits sind das Maximum, das wir schaffen konnten, wir haben all unsere Magie und Professionalität eingesetzt“, sagt er.

Martinez und Lukin traten auf derselben Bühne auf – in Moskau, auf der Vierten Internationalen Quantenkonferenz. Wissenschaftler betrachten sich jedoch nicht als Rivalen.

„Es ist falsch, es als Rennen zu betrachten. Wir haben einen echten Wettlauf mit der Natur. Weil es wirklich schwierig ist, einen Quantencomputer zu erstellen. Und es ist einfach aufregend, dass es jemandem gelungen ist, ein System mit so vielen Qubits zu schaffen“, sagt John Martinez, Leiter des Quantum Artificial Intelligence Laboratory von Google.

Aber warum brauchen wir Quantencomputer? Sogar ihre Schöpfer selbst wissen es nicht genau. Mit ihrer Hilfe können völlig neue Materialien und Hunderte Entdeckungen in Physik und Chemie entwickelt werden. Quantencomputer sind vielleicht das Einzige, was das Geheimnis des menschlichen Gehirns und der künstlichen Intelligenz lüften kann.

„Wenn eine wissenschaftliche Entdeckung gemacht wird, sind sich ihre Schöpfer nicht darüber im Klaren, welche Macht sie mit sich bringen wird. Als der Transistor erfunden wurde, hätte niemand gedacht, dass Computer auf diesem Transistor gebaut werden würden“, sagt Ruslan Yunusov, Direktor des russischen Quantenzentrums.

Einer der ersten Computer wurde in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt und wog 27 Tonnen. Wenn wir es mit modernen Geräten vergleichen, dann ist ein gewöhnliches Smartphone so leistungsstark wie 20.000 dieser Geräte. Und das sind über 70 Jahre Fortschritt. Aber wenn die Ära der Quantencomputer kommt, werden sich unsere Nachkommen fragen, wie sie diese Antiquitäten überhaupt nutzen sollen.

Wenn es um herausragende russische Wissenschaftler geht, erinnern sich viele an die Helden von gestern – Mendelejew, Pawlow oder Landau – und vergessen dabei, dass es unter unseren Zeitgenossen viele herausragende Forscher gibt. Zum Tag der russischen Wissenschaft sammelte „Attic“ die Namen derjenigen, die im 21. Jahrhundert bedeutende Entdeckungen machten.

Physik

Andrey Geim. Foto: ITAR-TASS/ Stanislav Krasilnikov

Im neuen Jahrtausend ging der Nobelpreis für Physik dreimal an russischsprachige Wissenschaftler, allerdings erst im Jahr 2010 – für eine Entdeckung des 21. Jahrhunderts. MIPT-Absolventen Andrey-Spiel Und Konstantin Nowoselow Im Labor der Universität Manchester gelang es ihnen erstmals, einen stabilen zweidimensionalen Kohlenstoffkristall zu erhalten – Graphen. Es handelt sich um einen sehr dünnen – ein Atom dicken – Kohlenstofffilm, der aufgrund seiner Struktur viele interessante Eigenschaften aufweist: bemerkenswerte Leitfähigkeit, Transparenz, Flexibilität und sehr hohe Festigkeit. Für Graphen ergeben sich immer wieder neue Anwendungsgebiete, beispielsweise in der Mikroelektronik: Daraus entstehen flexible Displays, Elektroden und Solarpanels.

Michail Lukin. Foto: ITAR-TASS/ Denis Vyshinsky

Ein weiterer Absolvent des MIPT und jetzt Professor für Physik an der Harvard University Michail Lukin Er schaffte das scheinbar Unmögliche: Er stoppte das Licht. Dazu nutzte der Wissenschaftler unterkühlten Rubidiumdampf und zwei Laser: Der Kontrolllaser machte das Medium lichtleitfähig, der zweite diente als Quelle eines kurzen Lichtimpulses. Als der Kontrolllaser ausgeschaltet wurde, hörten die Partikel des Lichtimpulses auf, das Medium zu verlassen, als ob sie darin anhalten würden. Dieses Experiment war ein echter Durchbruch auf dem Weg zur Schaffung von Quantencomputern – Maschinen eines völlig neuen Typs, die eine enorme Anzahl von Operationen parallel ausführen können. Der Wissenschaftler setzte seine Forschungen auf diesem Gebiet fort und 2012 schuf seine Gruppe in Harvard das damals langlebigste Qubit, das kleinste Element zur Speicherung von Informationen in einem Quantencomputer. Und im Jahr 2013 erhielt Lukin erstmals photonische Materie – eine Art Substanz, die nur nicht aus Atomen, sondern aus Lichtteilchen, Photonen, besteht. Es ist auch geplant, es für Quantencomputing zu nutzen.

Yuri Oganesyan (Mitte) mit Georgy Flerov und Konstantin Petrzhak. Foto aus dem elektronischen Archiv von JINR

Russische Wissenschaftler haben im 21. Jahrhundert das Periodensystem erheblich erweitert. Beispielsweise wurden im Januar 2016 Elemente mit den Nummern 113, 115, 117 und 118 hinzugefügt, von denen drei erstmals am Gemeinsamen Institut für Kernforschung (JINR) in Dubna unter der Leitung eines Akademikers der Russischen Akademie erworben wurden der Wissenschaften Yuri Oganesyan . Ihm wird auch die Ehre zuteil, eine Reihe anderer superschwerer Elemente und deren Synthesereaktionen zu entdecken: Elemente, die schwerer als Uran sind, kommen in der Natur nicht vor – sie sind zu instabil und werden daher in Beschleunigern künstlich erzeugt. Darüber hinaus bestätigte Oganesyan experimentell, dass es für superschwere Elemente eine sogenannte „Insel der Stabilität“ gibt. Alle diese Elemente zerfallen sehr schnell, aber zunächst theoretisch und dann experimentell wurde gezeigt, dass es unter ihnen einige geben sollte, deren Lebensdauer die Lebensdauer ihrer Nachbarn in der Tabelle deutlich übersteigt.

Chemie

Artem Oganov. Foto aus persönlichem Archiv

Chemiker Artem Oganow , Leiter von Laboratorien in den USA, China und Russland und jetzt auch Professor am Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie, hat einen Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, mithilfe eines Computers nach Substanzen mit vorgegebenen Eigenschaften zu suchen, die aus Sicht sogar unmöglich sind Sicht der klassischen Chemie. Die von Oganov entwickelte Methode bildete die Grundlage des USPEX-Programms (das sich wie das russische Wort für „Erfolg“ liest), das weltweit weit verbreitet ist (im Detail „Attic“). Mit seiner Hilfe wurden neue Magnete und Substanzen entdeckt, die unter extremen Bedingungen wie hohem Druck existieren könnten. Es wird angenommen, dass solche Bedingungen durchaus auch auf anderen Planeten herrschen könnten, was bedeutet, dass dort die von Oganov vorhergesagten Stoffe vorhanden sind.

Valery Fokin. Biopharmazeutischer Cluster „Nord“

Es ist jedoch notwendig, Stoffe mit vorgegebenen Eigenschaften nicht nur zu modellieren, sondern auch in der Praxis herzustellen. Um dies zu erreichen, wurde 1997 ein neues Paradigma in der Chemie eingeführt, die sogenannte Klick-Chemie. Das Wort „Klick“ imitiert das Geräusch eines Riegels, denn der neue Begriff wurde für Reaktionen eingeführt, die unter allen Umständen kleine Komponenten zu dem gewünschten Molekül verbinden müssen. Zunächst waren Wissenschaftler misstrauisch gegenüber der Existenz einer Wunderreaktion, doch im Jahr 2002 Valery Fokin , ein Absolvent der Lobatschewski-Staatsuniversität Nischni Nowgorod, der heute am Scripps Institute in Kalifornien arbeitet, entdeckte einen solchen „molekularen Riegel“: Er besteht aus einem Azid und einem Alkin und funktioniert in Gegenwart von Kupfer in Wasser mit Ascorbinsäure. Mit dieser einfachen Reaktion lassen sich ganz unterschiedliche Verbindungen miteinander verbinden: Proteine, Farbstoffe, anorganische Moleküle. Eine solche „Klick“-Synthese von Substanzen mit bereits bekannten Eigenschaften ist vor allem bei der Entwicklung neuer Medikamente notwendig.

Biologie

Evgeny Kunin. Foto aus dem persönlichen Archiv des Wissenschaftlers

Um eine Krankheit zu behandeln, ist es jedoch manchmal notwendig, nicht nur einen Virus oder ein Bakterium zu neutralisieren, sondern auch die eigenen Gene zu korrigieren. Nein, das ist nicht die Handlung eines Science-Fiction-Films: Wissenschaftler haben bereits mehrere Systeme „molekularer Scheren“ entwickelt, die das Genom bearbeiten können (mehr über die erstaunliche Technologie im Attic-Artikel). Das vielversprechendste unter ihnen ist das CRISPR/Cas9-System, das auf dem in Bakterien und Archaeen vorhandenen Schutzmechanismus gegen Viren basiert. Einer der wichtigsten Forscher dieses Systems ist unser ehemaliger Landsmann Evgeniy Kunin , der seit vielen Jahren am US-amerikanischen National Center for Biotechnology Information arbeitet. Neben CRISPR-Systemen interessiert sich der Wissenschaftler für viele Fragen der Genetik, Evolutions- und Computerbiologie, daher ist es nicht umsonst, dass sein H-Index (der Zitierindex der Artikel eines Wissenschaftlers, der widerspiegelt, wie stark seine Forschung nachgefragt wird) hat 130 überschritten – das ist ein absoluter Rekord unter allen russischsprachigen Wissenschaftlern.

Wjatscheslaw Epstein. Foto von der Northwestern University

Die Gefahr geht heute jedoch nicht nur von Genombrüchen aus, sondern auch von den häufigsten Mikroben. Tatsache ist, dass in den letzten 30 Jahren kein einziges neues Antibiotikum entwickelt wurde und Bakterien nach und nach immun gegen alte Antibiotika werden. Zum Glück für die Menschheit kündigte eine Gruppe von Wissenschaftlern der Northeastern University in den Vereinigten Staaten im Januar 2015 die Entwicklung eines völlig neuen antimikrobiellen Wirkstoffs an. Zu diesem Zweck wandten sich Wissenschaftler der Untersuchung von Bodenbakterien zu, deren Wachstum unter Laborbedingungen bisher als unmöglich galt. Um dieses Hindernis zu umgehen, hat ein Mitarbeiter der Nordöstlichen Universität, ein Absolvent der Moskauer Staatsuniversität, gearbeitet Wjatscheslaw Epschtein Zusammen mit einem Kollegen entwickelte er einen speziellen Chip für die Züchtung widerspenstiger Bakterien direkt auf dem Meeresboden – auf diese raffinierte Weise umging der Wissenschaftler das Problem der zunehmenden „Launenhaftigkeit“ von Bakterien, die nicht in einer Petrischale wachsen wollten. Diese Technik bildete die Grundlage einer großen Studie, deren Ergebnis das Antibiotikum Teixobactin war, das sowohl Tuberkulose als auch Staphylococcus aureus bekämpfen kann.

Mathematik

Grigory Perelman. Foto: George M. Bergman - Mathematische Institut Oberwolfach (MFO)

Auch naturwissenschaftsferne Menschen dürften aus St. Petersburg von der Mathematik gehört haben Grigory Perelman . In den Jahren 2002–2003 veröffentlichte er drei Arbeiten zum Beweis der Poincaré-Vermutung. Diese Hypothese gehört zu einem Zweig der Mathematik namens Topologie und erklärt die allgemeinsten Eigenschaften des Raums. Im Jahr 2006 wurde der Beweis von der mathematischen Gemeinschaft akzeptiert und die Poincaré-Vermutung war damit die erste, die unter den sogenannten Sieben-Jahrtausend-Problemen gelöst wurde. Dazu gehören klassische mathematische Probleme, für die seit vielen Jahren keine Beweise mehr gefunden wurden. Für seinen Beweis erhielt Perelman die Fields-Medaille, die oft als Nobelpreis für Mathematiker bezeichnet wird, sowie den Millennium Problem Solving Prize des Clay Mathematics Institute. Der Wissenschaftler lehnte alle Auszeichnungen ab, was die Aufmerksamkeit eines mathematikfernen Publikums auf sich zog.

Stanislaw Smirnow. Foto: ITAR-TASS/ Yuri Belinsky

Arbeitet an der Universität Genf Stanislaw Smirnow 2010 gewann er außerdem die Fields-Medaille. Seine prestigeträchtigste Auszeichnung in der Welt der Mathematik war sein Beweis der konformen Invarianz der zweidimensionalen Perkolation und des Ising-Modells in der statistischen Physik – dieses unaussprechliche Ding wird von Theoretikern zur Beschreibung der Magnetisierung eines Materials verwendet und wird bei der Entwicklung von Quanten genutzt Computers.

Andrey Okunkov. Foto: Radio Liberty

Perelman und Smirnov sind Vertreter der Leningrader Mathematischen Schule, Absolventen der bekannten 239. Schule und der Fakultät für Mathematik und Mechanik der Staatlichen Universität St. Petersburg. Unter den Nominierten für den Mathematik-Nobelpreis befanden sich aber auch Moskauer, beispielsweise ein Professor der Columbia University, der viele Jahre in den USA tätig war und ein Absolvent der Moskauer Staatsuniversität Andrey Okunkov . Er erhielt 2006 gleichzeitig mit Perelman die Fields-Medaille für seine Leistungen bei der Verknüpfung von Wahrscheinlichkeitstheorie, Darstellungstheorie und algebraischer Geometrie. In der Praxis fanden Okunkovs Arbeiten im Laufe der Jahre sowohl in der statistischen Physik zur Beschreibung der Oberflächen von Kristallen als auch in der Stringtheorie Anwendung – einem Bereich der Physik, der versucht, die Prinzipien der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie zu kombinieren.

Geschichte

Peter Turchin. Foto: Stevens University of Technology

Er schlug eine neue Theorie an der Schnittstelle von Mathematik und Geisteswissenschaften vor Petr Turchin . Es ist überraschend, dass Turchin selbst kein Mathematiker oder Historiker ist: Er ist Biologe, der an der Moskauer Staatsuniversität studiert hat und jetzt an der University of Connecticut arbeitet und Populationen untersucht. Populationsbiologische Prozesse entwickeln sich über einen langen Zeitraum und ihre Beschreibung und Analyse erfordert häufig die Konstruktion mathematischer Modelle. Modellierung kann aber auch genutzt werden, um soziale und historische Phänomene in der menschlichen Gesellschaft besser zu verstehen. Genau das tat Turchin im Jahr 2003 und nannte den neuen Ansatz Cliodynamik (im Namen der Muse der Geschichte Clio). Mit dieser Methode etablierte Turchin selbst „säkulare“ demografische Zyklen.

Linguistik

Andrey Zaliznyak. Foto: Mitrius/wikimedia

Jedes Jahr werden in Nowgorod sowie in einigen anderen alten russischen Städten wie Moskau, Pskow, Rjasan und sogar Wologda immer mehr Buchstaben aus Birkenrinde gefunden, deren Alter bis ins 11.-15. Jahrhundert zurückreicht. Darin finden Sie persönliche und offizielle Korrespondenz, Kinderübungen, Zeichnungen, Witze und sogar Liebesbriefe – „The Attic“ handelt von den lustigsten alten russischen Inschriften. Die lebendige Buchstabensprache hilft Forschern, den Nowgorod-Dialekt sowie das Leben der einfachen Leute und die Geschichte der Rus zu verstehen. Der berühmteste Forscher von Birkenrindendokumenten ist natürlich Akademiker der Russischen Akademie der Wissenschaften Andrey Zaliznyak : Nicht umsonst sind seine jährlichen Vorträge, die sich mit neu gefundenen Briefen und der Entschlüsselung alter Briefe befassen, voller Menschen.

Klimatologie

Wassili Titow. Foto von noaa.gov

Am Morgen des 26. Dezember 2004, dem Tag des tragischen Tsunamis in Indonesien, bei dem nach verschiedenen Schätzungen 200 bis 300.000 Menschen ums Leben kamen, arbeitete ein NSU-Absolvent am Tsunami-Forschungszentrum der National Oceanic and Atmospheric Administration in Seattle (USA), Wassili Titow bin berühmt aufgewacht. Und das ist nicht nur eine Redewendung: Nachdem der Wissenschaftler vom stärksten Erdbeben im Indischen Ozean erfahren hatte, beschloss er vor dem Schlafengehen, ein Programm zur Vorhersage von Tsunamiwellen auf seinem Computer auszuführen und die Ergebnisse online zu veröffentlichen. Seine Vorhersage erwies sich als sehr genau, kam aber leider zu spät und konnte daher menschliche Verluste nicht verhindern. Mittlerweile wird das von Titov entwickelte Tsunami-Vorhersageprogramm MOST in vielen Ländern der Welt eingesetzt.

Astronomie

Konstantin Batygin. Foto von caltech.edu

Im Januar 2016 wurde die Welt von einer weiteren Neuigkeit schockiert: in unserem heimischen Sonnensystem. Einer der Autoren der Entdeckung wurde in Russland geboren Konstantin Batygin von der University of California. Nach der Untersuchung der Bewegung von sechs kosmischen Körpern, die sich jenseits der Umlaufbahn von Neptun, dem letzten der derzeit bekannten Planeten, befinden, haben Wissenschaftler anhand von Berechnungen gezeigt, dass es in einer Entfernung, die siebenmal größer ist als die Entfernung von Neptun zur Sonne, einen anderen Planeten geben sollte die Sonne umkreisen. Laut Wissenschaftlern beträgt seine Größe das Zehnfache des Erddurchmessers. Um jedoch völlig von der Existenz des fernen Riesen überzeugt zu sein, ist es dennoch notwendig, ihn mit einem Teleskop zu sehen.

Am Freitagmorgen, dem 14. Juli, sprach Mikhail Lukin, Mitbegründer des Russian Quantum Center und Professor an der Harvard University, auf der Internationalen Konferenz für Quantentechnologien über die Entwicklung eines vollständig programmierbaren 51-Qubit-Quantencomputers durch seine Forschungsgruppe. Auf den ersten Blick kann man dieses Ergebnis als einen plötzlichen Durchbruch auf diesem Gebiet bezeichnen – Giganten wie Google und IBM nähern sich gerade erst der 50-Qubit-Marke in einem Quantencomputer. Erst gestern erschien eine detaillierte Beschreibung des Experiments auf dem Preprint-Server arXiv.org. Leitartikel N+1 Ich beschloss herauszufinden, was passiert ist und was ich vom neuen Quantencomputer erwarten kann.

Kurz über Quantencomputer – universell und nicht-universal

Wie sieht ein 51-Qubit-Computer aus?

Schauen wir uns das System an, das die Physiker in ihrer neuen Arbeit geschaffen haben. Die Rolle der Qubits spielen dabei kalte Rubidiumatome, die in einer optischen Falle eingefangen werden. Die Falle selbst besteht aus einer Anordnung von 101 optischen Pinzetten (fokussierte Laserstrahlen). Das Atom wird durch die Pinzette aufgrund des elektrischen Feldgradienten in einer Gleichgewichtsposition gehalten – es wird von der Region mit der maximalen elektrischen Feldstärke angezogen, die sich im Brennpunkt der Pinzette befindet. Da alle Pinzetten in einer Reihe aufgereiht sind, sind auch alle Qubit-Atome des Computers in einer Kette aufgereiht.

„Null“ für jedes Rubidiumatom ist sein nicht angeregter Grundzustand. „One“ ist ein speziell vorbereiteter Rydberg-Zustand. Dies ist ein angeregter Zustand, in dem das äußere Elektron des Rubidiums sehr weit vom Kern entfernt ist (im 50., 100., 1000. Orbital), aber dennoch mit ihm verbunden bleibt. Aufgrund ihres großen Radius beginnen Rydberg-Atome in viel größeren Entfernungen als gewöhnliche Atome zu interagieren (abzustoßen). Diese Abstoßung macht es möglich, eine Reihe von 51 Rubidiumatomen in eine Kette stark wechselwirkender Teilchen umzuwandeln.

Um die Zustände der Qubits zu steuern, wird ein separates Lasersystem verwendet, das sie in den Rydberg-Zustand anregen kann. Das wichtigste und wichtigste Merkmal des neuen Computers ist die Fähigkeit, jedes der 51 Qubits direkt anzusprechen. Es gibt auch komplexere Ensembles von Atomen, in denen verschränkte Quantenzustände beobachtet werden (wir sprachen kürzlich von 16 Millionen Atomen, die durch Wechselwirkung mit einem einzelnen Photon verschränkt sind), und Quantensimulationen wurden an mehr als hundert kalten Atomen durchgeführt. Aber in all diesen Fällen hatten die Wissenschaftler keine Möglichkeit, das System genau zu steuern. Deshalb wird das neue System als voll programmierbarer Quantencomputer bezeichnet.

Jede Berechnung auf einem Quantencomputer ist gewissermaßen eine Simulation eines realen Quantensystems. Der Hauptteil der neuen Arbeit widmet sich der Modellierung eines bekannten Quantensystems – dem Ising-Modell. Es beschreibt (in diesem Fall) eine Kette von Teilchen mit Spins (magnetischen Momenten) ungleich Null, die mit ihren Nachbarn interagieren. Das Ising-Modell wird häufig zur Beschreibung von Magnetismus und magnetischen Übergängen in Festkörpern verwendet.

Das Experiment war wie folgt aufgebaut. Zunächst wurden die Partikel abgekühlt und in einer optischen Pinzette eingefangen. Dies ist ein probabilistischer Prozess, daher war die Partikelanordnung zunächst chaotisch. Anschließend wurde eine Reihe von Messungen und Anpassungen durchgeführt, um eine defektfreie Anordnung von mehr als 50 kalten Atomen im nicht angeregten Grundzustand zu erzeugen. Im nächsten Schritt wurden die optischen Pinzetten ausgeschaltet und gleichzeitig das System eingeschaltet, wodurch die Atome in den Rydberg-Zustand angeregt wurden. Das System entwickelte sich einige Zeit unter dem Einfluss der Van-der-Waals-Kräfte – die Atome nahmen die für sie „bequemsten“ Positionen ein, woraufhin die Pinzette wieder eingeschaltet und das Ergebnis der Evolution untersucht wurde.

Je nachdem, wie nah die kalten Atome am anregenden Puls waren, beobachteten die Physiker unterschiedliche evolutionäre Ergebnisse. Dies liegt daran, dass Rydberg-Atome die Anregung von Nachbarn von Rydberg-Zuständen (aufgrund starker Abstoßung) unterdrücken können. Wissenschaftler haben Systeme beobachtet, in denen Atome nach der Evolution so angeordnet waren, dass zwischen jedem Paar benachbarter Rydberg-Atome genau eins, genau zwei oder genau drei gewöhnliche Atome existierten.

Interessanterweise erfolgte die Bildung sehr geordneter Strukturen nach freier Evolution mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit – selbst im Fall einer Anordnung von 51 kalten Atomen.

Um zu sehen, wie der Evolutionsprozess abläuft, schalteten Wissenschaftler eine Pinzette ein und „fotografierten“ das System zu verschiedenen Zeitpunkten. Es stellte sich heraus, dass die Entwicklung zu einem Gleichgewichtszustand in einigen Fällen sehr langsam erfolgte: Das System schwankte lange Zeit zwischen mehreren Zuständen. Dieses Ergebnis kann durch grobe klassische Simulationen bestätigt werden, die Wechselwirkungen zwischen benachbarten und nachfolgenden benachbarten Atomen in die Analyse einbeziehen.

Ist das nützlich?

Dies ist einer der Fälle, in denen die Quantenmodellierung einen wirklich neuen Effekt vorhersagt. Es ist erwähnenswert, dass es unmöglich ist, ein System aus 51 kalten Atomen mit einem klassischen Computer genau zu simulieren. Um alle möglichen Zustände zu beschreiben, werden 2 51 Bit RAM (etwa ein Petabyte) benötigt. Dieser Effekt wurde nur durch grobe Simulationen auf einem klassischen Computer bestätigt.

Interessanterweise ergibt sich bei quantenchemischen Berechnungen genau das Gegenteil: Klassische Computer liefern nur eine ungefähre Schätzung der Eigenschaften komplexer Systeme und verbrauchen dafür enorme Rechenressourcen. Gleichzeitig liefert die direkte Analyse dieser zweifellos Quantensysteme ein genaues Ergebnis.

Wofür ist es sonst noch nützlich?

Am Ende des Preprints stellen die Autoren traditionell eine Liste der Bereiche bereit, in denen die Neuentwicklung nützlich sein könnte. Wir können einige davon aufzählen: die Erzeugung von Überlagerungen, die aus einer großen Anzahl von Teilchen bestehen, die Untersuchung topologischer Zustände in Spinsystemen. Physiker weisen insbesondere darauf hin, dass sich der Algorithmus gut zur Lösung von Optimierungsproblemen von Systemen eignet, deren Dimensionen offensichtlich die Reichweite herkömmlicher Computer übersteigen. Zu diesen Aufgaben gehören die Modellierung chemischer Reaktionen und die Lehre.

Das von Mikhail Lukin und seinen Kollegen geschaffene System funktioniert nun als Quantensimulator – es simuliert selbstähnliche Systeme. Es ist jedoch erwähnenswert, dass es den Physikern bereits gelungen ist, bei einzelnen Paaren von Rydberg-Atomen logische CNOT-Gatter zu erzeugen, die zur Erzeugung einer Verschränkung dienen. Daher können wir sagen, dass einige einfache Algorithmen im neuen System implementiert werden können (z. B. der Deutsch-Algorithmus oder der Shor-Algorithmus für sehr kleine Zahlen). Zu diesem Zeitpunkt sind diese Algorithmen jedoch nicht nützlich.

Mikhail Lukin (links) und John Martinis (rechts) – Leiter des Teams, das bei Google einen 49-Qubit-Quantencomputer entwickelt

Russisches Quantenzentrum

In gewisser Weise ist das neue Gerät bereits in der Lage, Probleme zu lösen, die für klassische Computer unzugänglich sind – es kann von herkömmlichen Computern nicht genau simuliert werden. Aber es ist noch zu früh, um über eine nützliche Quantenüberlegenheit zu sprechen, die bereits bei angewandten Problemen nützlich sein wird. Viele Wissenschaftler stellen fest, dass der Wettlauf um die Quantenüberlegenheit aus Sicht der angewandten Computerprobleme derzeit nichts Nützliches bringt.

Es ist erwähnenswert, dass Experimente mit Atomen in optischen Gittern bereits vor einigen Jahren die Möglichkeiten einer genauen Modellierung durch klassische Computer überstiegen. Sie nutzen Dutzende miteinander verbundener Teilchen. Beispielsweise können mit ihrer Hilfe quantenkooperative Phänomene im Zusammenhang mit Suprafluidität und Supraleitung beobachtet werden. Ist das Quantenüberlegenheit?

Wladimir Koroljow

MOSKAU, 14. Juli- RIA-Nachrichten. Russische und amerikanische Wissenschaftler in Harvard haben den weltweit ersten Quantencomputer entwickelt und getestet, der aus 51 Qubits besteht. Das Gerät sei bislang das komplexeste Computersystem seiner Art, sagte Mikhail Lukin, Professor an der Harvard University und Mitbegründer des Russian Quantum Center (RCC).

Dies gab der Physiker im Rahmen eines Berichts auf der Internationalen Konferenz für Quantentechnologien ICQT-2017 bekannt, die unter der Schirmherrschaft des RQC in Moskau stattfindet. Dieser Erfolg ermöglichte es Lukins Gruppe, eine führende Rolle im Wettlauf um die Entwicklung eines vollwertigen Quantencomputers zu übernehmen, der seit mehreren Jahren inoffiziell zwischen mehreren Gruppen führender Physiker auf der Welt ausgetragen wird.

Quantencomputer sind spezielle Rechengeräte, deren Leistung exponentiell zunimmt, indem sie für ihren Betrieb die Gesetze der Quantenmechanik nutzen. Alle diese Geräte bestehen aus Qubits – Speicherzellen und gleichzeitig primitiven Rechenmodulen, die ein Spektrum von Werten zwischen Null und Eins speichern können.

Heutzutage gibt es zwei Hauptansätze für die Entwicklung solcher Geräte – klassische und adiabatische. Befürworter des ersten von ihnen versuchen, einen universellen Quantencomputer zu schaffen, dessen Qubits denselben Regeln folgen würden, nach denen gewöhnliche digitale Geräte funktionieren. Die Arbeit mit einem solchen Computergerät würde sich im Idealfall nicht wesentlich von der Art und Weise unterscheiden, wie Ingenieure und Programmierer herkömmliche Computer bedienen. Ein adiabatischer Computer ist einfacher zu erstellen, aber seine Funktionsprinzipien ähneln eher analogen Computern des frühen 20. Jahrhunderts als denen moderner digitaler Geräte.

Im vergangenen Jahr gaben mehrere Teams von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus den USA, Australien und mehreren europäischen Ländern bekannt, dass sie kurz vor der Entwicklung einer solchen Maschine stehen. Als Anführer dieses informellen Rennens galt das Team von John Martinis von Google, das eine ungewöhnliche „Hybrid“-Version eines universellen Quantencomputers entwickelte, der Elemente eines analogen und digitalen Ansatzes für solche Berechnungen kombinierte.

Lukin und seine Kollegen am RCC und in Harvard haben Martinis‘ Gruppe umgangen, die, wie Martinis gegenüber RIA Novosti sagte, nun an der Entwicklung eines 22-Qubit-Computers arbeitet, der keine Supraleiter verwendet, wie die Wissenschaftler von Google, sondern exotische „kalte Atome“.

Wie russische und amerikanische Wissenschaftler herausgefunden haben, kann eine Reihe von Atomen, die in speziellen Laser-„Käfigen“ gehalten und auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden, als Qubits für einen Quantencomputer verwendet werden, der unter einer Vielzahl von Bedingungen einen stabilen Betrieb aufrechterhält. Dies ermöglichte es den Physikern, den bisher größten Quantencomputer zu entwickeln, der aus 51 Qubits besteht.

Mit einem Satz ähnlicher Qubits hat Lukins Team bereits mehrere physikalische Probleme gelöst, die mit „klassischen“ Supercomputern äußerst schwer zu simulieren sind. Beispielsweise konnten russische und amerikanische Wissenschaftler berechnen, wie sich eine große Wolke aus miteinander verbundenen Teilchen verhält, und dabei bisher unbekannte Effekte entdecken, die in ihr auftreten. Es stellte sich heraus, dass beim Abklingen der Erregung bestimmte Arten von Schwingungen praktisch unbegrenzt im System verbleiben und aufrechterhalten werden können, was Wissenschaftler bisher nicht vermutet hatten.

Um die Ergebnisse dieser Berechnungen zu überprüfen, mussten Lukin und seine Kollegen einen speziellen Algorithmus entwickeln, der es ermöglichte, ähnliche Berechnungen in sehr grober Form auf gewöhnlichen Computern durchzuführen. Die Ergebnisse waren im Großen und Ganzen konsistent und bestätigten, dass das 51-Qubit-System der Harvard-Wissenschaftler in der Praxis funktioniert.

In naher Zukunft wollen Wissenschaftler die Experimente mit einem Quantencomputer fortsetzen. Lukin schließt nicht aus, dass sein Team versuchen wird, Shors berühmten Quantenalgorithmus darauf auszuführen, der es ermöglicht, die meisten bestehenden Verschlüsselungssysteme, die auf dem RSA-Algorithmus basieren, zu knacken. Laut Lukin wurde ein Artikel mit ersten Ergebnissen eines Quantencomputers bereits zur Veröffentlichung in einer der von Experten begutachteten wissenschaftlichen Fachzeitschriften angenommen.

Das Team von Mikhail Lukin hat 2017 einen der leistungsstärksten Quantencomputer geschaffen. Mit Hilfe eines Wissenschaftlers findet RBC heraus, was die Erfolgskriterien im Quantenwettlauf sind und wann mit der Quantenüberlegenheit zu rechnen ist

Vor zwanzig Jahren galten Quantencomputer als Science-Fiction, doch bald werden sie uns nicht mehr überraschen als ein normaler PC. „Ich denke, dass Quantentechnologien in vielen Bereichen der menschlichen Tätigkeit in fünf bis zehn Jahren nicht mehr wegzudenken sind“, sagt Harvard-Professor Mikhail Lukin, dessen Team 2017 einen der leistungsstärksten Quantencomputer geschaffen hat.

Mikhail Lukin reiste vor etwa einem Vierteljahrhundert nach Amerika. Im Jahr 1993 wurde ein Absolvent der Fakultät für Physikalische und Quantenelektronik des MIPT von Marlan Scully, einem weltberühmten Forscher auf dem Gebiet der Quantenoptik, zum Graduiertenstudium an der Texas A&M University eingeladen. 1998 verteidigte Lukin in Texas seine Dissertation über den Einsatz von Lasern zur Kontrolle der Umwelt. Aber Mikhail Lukin führte seine wichtigsten wissenschaftlichen Experimente im nächsten Jahrzehnt an der Harvard University durch. Hier wurde er Professor für Physik, dann Co-Direktor des Harvard Center for Quantum Physics und des Center for Ultracold Atoms.

„Ich hatte großes Glück: Ich befand mich in Harvard unter besonderen Bedingungen. Ein gewöhnlicher Postdoc (ein Wissenschaftler, der kürzlich einen Doktortitel erhalten hat, was in etwa einem russischen Kandidaten der Naturwissenschaften entspricht. - RBC) müssen in einer wissenschaftlichen Gruppe arbeiten und an einem bestimmten hochspezialisierten Projekt beteiligt sein. Ich hatte völlige Freiheit“, sagte Lukin dem RBC-Magazin.

Lukin sagt, dass er und seine Kollegen oft gebeten wurden, für Unternehmen zu arbeiten, die sich dem Rennen um die Entwicklung eines Quantencomputers angeschlossen haben, aber er weigert sich ausnahmslos: „Ich würde sagen, dass die mit Abstand kreativste Aktivität in diesem Bereich immer noch an Universitäten stattfindet.“ .“

In einer Atmosphäre der „Arbeitsfreizügigkeit“ haben der Wissenschaftler und seine Gruppe in den letzten 16 Jahren Experimente durchgeführt, die die wissenschaftliche Welt in Erstaunen versetzten: etwa das Stoppen von Licht oder die Erzeugung photonischer Moleküle – Materie ähnlich den Lichtschwertern aus Star Wars – und Zeitkristallen , Strukturen, existierten zuvor nur in der Theorie. In diesen Jahren nährte er auch die Idee eines Experiments zum Quantencomputing, das Lukin und sein Labor im Sommer 2017 weltweit bekannt machte.

Quanteninformationswissenschaft

Anfang der 1990er-Jahre habe selbst in der wissenschaftlichen Gemeinschaft niemand die Idee, Quantencomputer zu schaffen, ernst genommen, sagt Lukin: „Aber dann passierten sozusagen zwei Revolutionen auf einmal.“

1994 entwickelte der Amerikaner Peter Shor einen Quantenfaktorisierungsalgorithmus, der später nach ihm benannt wurde. „Zwei Primzahlen zu multiplizieren, selbst sehr große, ist einfach, aber herauszufinden, welche Primfaktoren eine große Zahl dividieren, ist für einen Computer eine sehr schwierige Aufgabe. Die Faktorisierung liegt jeder modernen Kryptographie zugrunde“, erklärt Lukin.

Foto: Foto: Sasha Maslov für RBC

Normale Computer sind in der Lage, moderne kryptografische Systeme zu knacken, aber sie verbrauchen so viele Ressourcen und Zeit, dass das Ergebnis nutzlos ist. Ein Quantencomputer wird in der Lage sein, solche Probleme nahezu augenblicklich zu lösen, und Shors Algorithmus war der erste Beweis für die praktische Bedeutung der Entwicklung solcher Geräte. „Zweitens fanden gleichzeitig große Veränderungen in der Experimentalphysik statt: Wissenschaftler lernten, wie man Atome gut kühlt und einzelne Teilchen isoliert“, fährt Lukin fort.

Im selben Wendepunkt für Quantencomputer, 1994, veröffentlichten zwei europäische Physiker, Peter Zoller und Juan Ignacio Sirac, einen wissenschaftlichen Artikel, in dem sie einen Quantencomputer beschrieben, der eine Ionenfalle verwendet. „Die Quanteninformationswissenschaft steckte noch in den Kinderschuhen, andere Forscher hatten nur abstrakte Ideen für Quantencomputer, niemand dachte ernsthaft darüber nach, ob es machbar wäre oder nicht. Die Veröffentlichung von Zoller und Sirak veränderte alles: Es wurde klar, dass es möglich war, einen Quantencomputer zu bauen, und es gab sogar einen konkreten Vorschlag, wie“, erinnert sich Lukin.

Mikhail lernte die Autoren des Artikels Anfang der 2000er Jahre kennen: „Sie waren bereits berühmte Leute, und ich war ein junger aufstrebender Wissenschaftler. Aber es stellte sich heraus, dass unsere Vorstellungen sehr ähnlich sind. Wir haben uns zusammengetan und eine Reihe von Artikeln geschrieben, in denen wir theoretisch die Ideen beschrieben haben, die die Grundlage unserer heutigen praktischen Arbeit bilden.“

In den 2000er Jahren begannen viele wissenschaftliche Gruppen, Experimente mit Supraleitern durchzuführen – Materialien, die bei niedrigen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren. Lukins Gruppe wiederum beschloss, sich auf „kalte Atome“ zu konzentrieren – Teilchen, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt und in von Lasern erzeugten optischen Fallen platziert wurden. Wenn die notwendigen Voraussetzungen erfüllt sind, können sie als einigermaßen stabile Quantenbits (Qubits) verwendet werden.

Lukin wagte es Mitte der 2000er Jahre nicht, einen echten Quantencomputer zu bauen: Das Projekt schien zu riskant und es fehlte an technologischer Basis. Seit mehreren Jahren untersucht seine Gruppe in Harvard andere Möglichkeiten, Qubits für einen Quantencomputer herzustellen – beispielsweise aus Verunreinigungen in Diamant. Aus solchen Forschungen gingen weitere praktische Projekte hervor: So fanden ehemalige Studenten des Professors heraus, wie man aus Diamanten Quantensensoren für die Medizin herstellen kann.

In den 2010er Jahren wurde Quantencomputing nicht mehr ausschließlich in den Laboren von Forschungszentren diskutiert, sondern auch große IT-Unternehmen interessierten sich ernsthaft dafür.

Echtes Quantum

Vor einigen Jahren kündigten nicht nur IBM, das sich schon lange mit diesem Gebiet beschäftigte, sondern auch Google, Intel und Microsoft, die in diesem Bereich bisher nicht aufgefallen waren, ihre Absicht an, funktionierende Prototypen von Quantencomputern zu bauen.
Gleichzeitig produziert und vertreibt das kanadische Unternehmen D-Wave seit 2011 „echte Quantencomputer“ – zunächst mit einer Kapazität von 16, dann 28 und nach einigen Jahren 512 Qubits. Heute bietet das Unternehmen bereits 2000-Qubit-Computer an. D-Wave hat einen ernsthaften Käuferkreis: Google, NASA, Lockheed Martin, Volkswagen Group. Für den Uneingeweihten mag es scheinen, als sei die Quantenzukunft bereits angekommen – ja und nein.

D-Wave produziert sogenannte adiabatische Computer – um ihre Unterschiede zu vollwertigen Quantencomputern zu verstehen, müssen Sie mindestens einen kurzen Kurs in Quantenphysik lesen. In der Anwendung besteht der Unterschied darin, dass D-Wave-Computer nur einen sehr engen Bereich von Optimierungsproblemen lösen können. Bei Google beispielsweise wählten sie ein Problem für den D-Wave-Computer aus, das ein adiabatischer Computer millionenfach schneller löste als ein klassischer. Es war jedoch unmöglich, daraus einen wirklichen Nutzen zu ziehen, und die Maschine war nicht dazu gedacht, andere Probleme zu lösen.
Die Fortschritte auf dem Gebiet der Schaffung „echter“ Quantencomputer sind bescheidener: Bis vor Kurzem überschritt ihre Leistung 17 bis 20 Qubits nicht, und Lukin sagt, dass er vor ein paar Jahren nicht an die Möglichkeit geglaubt habe, ein Gerät mit mehr zu schaffen Leistung. Doch im Sommer 2017 kündigte Lukins Gruppe die Entwicklung eines funktionierenden Prototyps eines 51-Qubit-Quantensimulators an, und buchstäblich einen Monat später kündigte die Gruppe von Professor Christopher Monroe von der University of Maryland die Entwicklung eines 53-Qubit-Simulators an. Die Geräte und die Ergebnisse der ersten damit durchgeführten Experimente werden in einem Artikel beschrieben, der Ende November in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Atome in optischen Fallen und Supraleiter seien heute die beiden Technologien zur Schaffung von Quantencomputern, die allen anderen Technologien voraus seien, sagte Professor Christopher Monroe gegenüber dem RBC-Magazin. „Beide Ansätze sind jetzt an einem Punkt angelangt, an dem wir ein klares Verständnis dafür haben, wie man ziemlich große Geräte baut, und Ideen, wie man sie skalieren kann“, sagte er. „Supraleiter haben bisher eine geringere Leistung gezeigt, aber da die Qubits auf einem Chip gedruckt sind, sind sie einfacher zu skalieren. Mit Atomen lässt sich einfacher arbeiten, da jedes atomare Qubit per Definition identisch ist. Es gibt andere, ähnliche Technologien, die uns einholen, darunter neutrale Atom-Qubits, die von Mikhail Lukins Gruppe hergestellt werden.“

Wettlauf um Qubits

Die Anzahl der Qubits scheint ein einfaches und unkompliziertes Maß für den Erfolg zu sein, aber in der Quantenphysik ist nichts einfach oder unkompliziert. Die Anzahl der Qubits sei nur eine der drei „Achsen“, auf denen ein Quantencomputer aufgebaut sei, erklärt Professor Lukin. Die zweite ist Kohärenz, die Fähigkeit von Qubits, sich in einem Überlagerungszustand zu befinden (denken Sie an Schrödingers Katze), gleichzeitig Null und Eins zu sein – die gesamte Theorie des Quantencomputings basiert auf diesem Phänomen der Quantenmechanik.

Diese Fähigkeit bestimmt die Zeit, in der die Maschine arbeiten kann: Je länger die Kohärenzzeit, desto mehr Berechnungen kann der Computer durchführen. „Wenn Sie eine Million Qubits haben, aber nicht genügend Operationen damit durchführen können, dann haben Sie keinen Quantencomputer. Beispielsweise weist in D-Wave-Computern jedes der anfänglichen Qubits eine so geringe Kohärenz auf, dass nicht klar ist, ob dort überhaupt Quanteneigenschaften vorhanden sind oder nicht“, sagt Lukin.

Die dritte „Achse“ schließlich sei der Grad der Programmierbarkeit; sie beschreibe, wie viele Probleme unterschiedlicher Art mit einem Quantencomputer gelöst werden könnten, so Lukin weiter. „Unser Simulator hat eine ziemlich gute Kohärenz und eine ziemlich große Anzahl von Qubits, aber andere Systeme haben all das.“ Wichtig ist, dass es uns gelungen ist, ein System mit einem hohen Grad an Programmierbarkeit zu entwickeln“, sagt er.

Der Unterschied zwischen einem Quantensimulator und einem Allzweck-Quantencomputer besteht darin, dass ersterer so programmiert werden kann, dass er nur eine bestimmte Art von Aufgabe ausführt, erklärt Professor Monroe: „Aber das Schöne ist, dass der Simulator in einen Allzweckcomputer umgewandelt werden kann.“ in der Zukunft." Es sei zwar nicht immer möglich, eine klare Grenze zwischen ihnen zu ziehen, fügt Lukin hinzu.

„Ein beliebig programmierbarer Quantensimulator wird universell. Es stellt sich heraus, dass die Grenze zwischen einem Computer und einem Simulator sehr verschwommen ist und jetzt nicht klar ist, ob sie überhaupt definiert werden kann. Aber das ist normal, wir stehen jetzt buchstäblich an der Spitze der Wissenschaft, und das passiert bei allen neuen Phänomenen“, erklärt der Wissenschaftler.

Optimismus ohne Beweise

Selbst Wissenschaftler haben es sich noch nicht vorgenommen, das gesamte Aufgabenspektrum zu skizzieren, bei dem ein Quantencomputer einem herkömmlichen überlegen sein wird. „Shors Algorithmus ist in gewisser Weise einzigartig, denn dies ist eine der wenigen Aufgaben, von denen wir sicher wissen, dass ein Quantencomputer sie besser bewältigen kann als ein herkömmlicher, das ist bewiesen.“ Es gibt viele andere sehr vielversprechende Algorithmen, auch für die gleiche kombinatorische Optimierung, für die es noch keine Beweise gibt“, zuckt Lukin mit den Schultern.

Foto: Foto: Sasha Maslov für RBC

Einerseits waren es Shors Algorithmus und die Unvermeidlichkeit des Quanten-Hackings kryptografischer Informationssicherheitssysteme, die große Mengen staatlicher Gelder in diesen Bereich lockten. Spitzenreiter in diesem Sinne ist China, das kürzlich versprochen hat, 11,5 Milliarden US-Dollar in den Bau eines neuen Quantenzentrums zu investieren. Andererseits wird die Entschlüsselung von Codes ein wichtiger, aber kleiner Teil dessen sein, was Quantencomputer leisten können, hofft Lukin. „Was mir an Shors Algorithmus nicht gefällt, ist, dass er hauptsächlich destruktiv ist. Ich bin jedoch sicher, dass ein Quantencomputer noch vor seiner Implementierung Zeit haben wird, der Menschheit viele Vorteile zu bringen“, sagt er.

In einem Ende November in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel berichteten Wissenschaftler, dass sie die Bildung von Quantenkristallen beobachten konnten – einem Material, das zur Schaffung von Quantenspeichern in Quantencomputern verwendet werden kann. „Was wir gemacht haben, lässt sich auf klassischen Computern nicht direkt simulieren; aus dieser Sicht können wir sagen, dass die Quantenüberlegenheit bereits nachgewiesen wurde“, sagt Lukin. „Das ist wichtig für die Wissenschaft: Wir haben bereits die Grenze erreicht, an der Quantencomputer anfangen, nützlich zu sein.“

Es wird davon ausgegangen, dass die Quantenüberlegenheit dann erreicht wird, wenn Quantencomputer praktische Probleme besser bewältigen können als klassische Supercomputer. Die Leistungsfähigkeit klassischer Computer nimmt ständig zu, aber es gibt eine Klasse von Aufgaben, für deren Bewältigung sie immer noch nicht über genügend Ressourcen verfügen, und dies kann nicht durch einfache Erhöhung ihrer Rechenkapazitäten behoben werden, erklärt Lukin. Darunter sind beispielsweise kombinatorische Optimierungsprobleme, die es auf jedem Gebiet gibt.

„Das klassische Beispiel ist das Problem des Handlungsreisenden. Stellen wir uns vor, Aeroflot möchte Flugrouten optimieren, um weniger Treibstoff zu verbrauchen und gleichzeitig ein größeres Gebiet abzudecken und Flüge für Passagiere bequemer zu gestalten. Ein klassischer Computer kann diese Art von Problem nicht gut bewältigen; er ist dafür zu komplex und bietet zu viele mögliche Antworten. Er kann nur nacheinander verschiedene Optionen ausprobieren, das nimmt viel Zeit in Anspruch und erfordert viel Kraft“, erklärt Lukin.

Ein Quantencomputer ist in der Lage, diese Optionen nicht sequentiell, sondern parallel durchzugehen, was den Berechnungsprozess enorm beschleunigt – buchstäblich Minuten statt Jahre. Die effektive Lösung solcher Probleme sei für moderne Bereiche der Informatik, beispielsweise künstliche Intelligenz oder maschinelles Lernen, äußerst wichtig, fügt Lukin hinzu.

Als weitere Einsatzmöglichkeiten eines Quantencomputers nennen Physiker die Modellierung neuer Materialien mit spezifizierten Eigenschaften und verschiedenen chemischen Prozessen. „Selbst einfache chemische Reaktionen lassen sich auf klassischen Computern nur sehr schwer simulieren, weil es so viele Möglichkeiten für ihren Ablauf gibt“, erklärt Lukin. „Quantencomputer werden das höchstwahrscheinlich schaffen.“ Und die Steigerung der Effizienz einer chemischen Reaktion um buchstäblich ein paar Prozent kann eine neue Industrie schaffen.“ Auch Monroe stimmt ihm zu: Er sieht die Hauptperspektiven des Quantencomputings in der Logistik, der Schaffung neuer Materialien und Medikamente in der Pharmaindustrie sowie in vielfältigen Optimierungen.

Quanteninternet

Eines der Hauptprobleme, das Physiker und Ingenieure lösen müssen, ist die Skalierung von Quantencomputern. „Heute wissen wir nicht genau, wie wir diese Systeme über etwa 1.000 Qubits hinaus skalieren können. Es gibt verschiedene Ideen, die vielversprechendste davon ist meiner Meinung nach die Idee der modularen Architektur“, sagt Lukin. „Anstatt einer Maschine immer mehr Qubits hinzuzufügen, schaffen wir ein Netzwerk von Quantencomputern. Jeder Computer mit einer Leistung von ein paar hundert Qubits ist mit so etwas wie einem „Quanteninternet“ verbunden. Derzeit arbeiten mehrere Gruppen an ähnlichen Konzepten, darunter auch Lukins Gruppe, aber alle befinden sich noch in einem relativ frühen Stadium.

In Mikhails Harvard-Gruppe arbeiten etwa 30 Personen, aber es gibt noch viel mehr Personen, die am Quantensimulator arbeiten: Er wurde durch die gemeinsame Anstrengung von drei wissenschaftlichen Labors entwickelt. Insgesamt gibt es laut Lukin weltweit etwa zehn ähnliche Zentren, in denen Entwicklungen an der Spitze der Quantentechnologien stattfinden. Die meisten von ihnen bewegen sich mittlerweile von rein physikalischen Experimenten hin zu praktischen Entwicklungen, und die Rolle von Unternehmen nimmt immer mehr zu. „Zusätzlich zur reinen Wissenschaft müssen wir jetzt klar definierbare technische Probleme lösen, und das geht in Unternehmen viel schneller und effizienter als an Universitäten“, sagt Lukin. „Wir wissen bereits, wie man einen ausreichend großen Quantencomputer baut. Jetzt müssen wir sicherstellen, dass das System nicht auf der Ebene „Nur ein Doktorand kann es herausfinden“ funktioniert, sondern auf der Ebene „Komm, schalte es ein.“ , Es klappt." Hier sind private Unternehmen sehr stark und finden praktische Anwendungen.“

In den nächsten fünf Jahren werden viele funktionierende Quantenmaschinen entstehen, da ist sich Monroe sicher. Und in zehn Jahren werde es einen vollwertigen Quantencomputer geben, programmiert von Leuten, die nicht wissen und sich nicht besonders darum kümmern, wie er im Inneren funktioniert, glaubt er: „Dann wird die Suche nach seinen wirklichen praktischen Anwendungen beginnen.“ Jetzt können universelle Quantencomputer mit einigen Dutzend Qubits nur noch mit künstlich erstellten Algorithmen arbeiten, fährt Monroe fort: „Und das ist nicht so interessant, weil ein so kleines System leicht auf einem normalen Computer simuliert werden kann.“

Quantencomputer seien auf dem gleichen Stand wie die ersten klassischen Computer ihrer Zeit, sagt Lukin: „Peter Shor selbst spricht oft darüber: Damals gab es auch einige Ideen über Algorithmen, die vielleicht effektiv funktionieren würden, vielleicht auch nicht.“ . Als die ersten klassischen Computer zu echten Geräten wurden, begannen Wissenschaftler und Ingenieure, diese Algorithmen auf ihnen zu testen, und viele von ihnen erwiesen sich als sehr effektiv, sagt Lukin: „Ich denke, das Gleiche wird mit Quantenalgorithmen passieren.“

Wird ein Quantencomputer zu einem ebenso alltäglichen Gerät werden wie ein normaler PC? Obwohl das niemand weiß, wird alles von konkreten Beispielen und Anwendungen abhängen, die Teil unseres Lebens werden können, antwortet Mikhail Lukin. „Wer hätte vor 20 Jahren gedacht, dass das ein echter Computer sein würde“, schließt er und zeigt auf das Handy vor ihm.