By Sandra Helsel gepostet am 13. September 2022
Quantennachrichten Der heutige Tag beginnt mit „Einblicken aus einem Besuch in den Quantum Research Labs von IBM“, gefolgt von geräteunabhängiger QKD (DIQKD)-Forschung, die Hacking zwecklos machen wird; und drittens ein Bericht über Forscher, die ein ultradünnes „Metasurface“-Gerät für Quantentechnologie und MEHR entwickeln.
Einblicke von einem Besuch in den Quantum Research Labs von IBM
Kevin Krewell, ein Forbes-Mitarbeiter, besuchte kürzlich die Quantum Research Labs von IBM in Yorktown Heights, New York und sprach mit Jay Gambetta, IBM Fellow und VP of Quantum Computing, IBM Research und seinem Team, das an der Weiterentwicklung des Quantencomputings arbeitet. Quantum News Briefs fasst im Folgenden die wichtigsten Punkte zusammen. Lesen Sie hier das komplette Interview und die Analyse.
Krewall beginnt mit dieser Erklärung: „Das Ziel der IBM-Forscher besteht darin, Quantencomputing so allgegenwärtig wie möglich zu machen, um einzigartige Probleme zu lösen. Um Quantensysteme zugänglicher zu machen, müssen sie „Cloud-nativ“ oder „serverlos“ werden, d. h. sie werden zu einer Cloud-Ressource, die je nach Nutzung abgerechnet wird. In dieser Ära der disaggregierten Rechenzentren kann Quantentechnologie eines der spezialisierten Rechenelemente sein, die klassischen Computern zur Verfügung stehen, ähnlich wie GPUs heute.“
Anschließend geht Krewall auf IBMs Ziel von 1 Million Qubits ein: IBM Research verfolgt einen ähnlichen Weg wie bei klassischen Computern: Bringen Sie mithilfe von Siliziumskalierung mehr und schnellere Qubits auf einen Chip. mehrere Quantenchips als Kacheln miteinander verbinden; und Cluster von zusammenarbeitenden Quantencomputern aufzubauen.
Während das Ziel darin besteht, Systeme mit Millionen von Roh-Qubits für fehlertolerantes Quantencomputing zu bauen, gibt es in der Zwischenzeit noch viel zu tun, um die Leistung von Roh-Qubits zu verbessern und durch Quantenfehlerminderung schneller mehr Arbeit zu erledigen. Um mit den heutigen relativ verrauschten und kurzlebigen Qubits bessere Quantenergebnisse zu erzielen, sind einige Problemumgehungen erforderlich. IBM Research hat einige Techniken zur Fehlerminderung entwickelt, die sich als nützlich erweisen.
Das ultimative Ziel des praktischen Quantencomputings besteht darin, einen Vorteil gegenüber dem klassischen Computing zu schaffen, um bedeutende Probleme in einem angemessenen Zeitrahmen zu lösen.
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Forscher entwickeln ultradünnes „Metasurface“-Gerät für die Quantentechnologie
Wissenschaftler an Sandia Nationale Laboratorien und die Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts haben über ein Gerät berichtet, das einen Raum voller Ausrüstung ersetzen könnte, um Photonen in einem bizarren Quanteneffekt namens Verschränkung zu verbinden. Dieses Gerät – eine Art nanotechnisches Material namens Metaoberfläche – ebnet den Weg für die Verschränkung von Photonen auf komplexe Weise, die mit kompakten Technologien nicht möglich war.
Die Forschung für das bahnbrechende Gerät, das hundertmal dünner als ein Blatt Papier ist, wurde teilweise am durchgeführt Zentrum für Integrierte Nanotechnologien, eine Benutzereinrichtung des Department of Energy Office of Science, die von den nationalen Laboratorien Sandia und Los Alamos betrieben wird. Sandias Team erhielt Mittel vom Office of Science, Basic Energy Sciences-Programm.
Die neue Metaoberfläche fungiert als Tor zu diesem ungewöhnlichen Quantenphänomen. In gewisser Weise ist es wie der Spiegel in Lewis Carrols „Through the Looking-Glass“, durch den die junge Protagonistin Alice eine fremde, neue Welt erlebt.
Anstatt durch ihr neues Gerät zu gehen, strahlen Wissenschaftler einen Laser hindurch. Der Lichtstrahl durchdringt eine ultradünne Glasprobe, die mit nanoskaligen Strukturen aus einem gängigen Halbleitermaterial namens Galliumarsenid bedeckt ist. „Es verwirrt alle optischen Felder“, sagte Igal Brener, leitender Wissenschaftler bei Sandia, ein Experte auf einem Gebiet namens nichtlineare Optik, der das Sandia-Team leitete. Gelegentlich, sagte er, trete ein Paar verschränkter Photonen unterschiedlicher Wellenlänge aus der Probe in die gleiche Richtung wie der einfallende Laserstrahl.
Das Science-Papier beschreibt, wie das Team seine Metaoberfläche erfolgreich so abgestimmt hat, dass verschränkte Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden, ein entscheidender Vorläufer für die gleichzeitige Erzeugung mehrerer Paare kompliziert verschränkter Photonen.
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Geräteunabhängiges QKD (DIQKD) macht Hacking zwecklos
Geräteunabhängige QKD (abgekürzt DIQKD) ist theoretisch seit den 1990er Jahren bekannt, wurde jedoch gerade erst von einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von experimentell umgesetzt Ludwig-Maximilians-Universität München Physiker Harald Weinfurter und Charles Lim von der Nationale Universität von Singapur (NUS). Das kryptografische Protokoll wird vom Gerät nicht beeinflusst. Quantum News Briefs fasst den aktuellen Bericht von SciTechDaily zusammen und teilt ihn.
Bei herkömmlichen QKD-Methoden ist die Sicherheit nur dann gewährleistet, wenn die verwendeten Quantengeräte hinreichend gut charakterisiert wurden. „Nutzer solcher Protokolle müssen sich daher auf die Vorgaben der QKD-Anbieter verlassen und darauf vertrauen, dass das Gerät bei der Schlüsselverteilung nicht in einen anderen Betriebsmodus wechselt“, erklärt Tim van Leent, einer der vier Hauptautoren des Artikel neben Wei Zhang und Kai Redeker. Es sei seit mindestens einem Jahrzehnt bekannt, dass ältere QKD-Geräte leicht von außen gehackt werden könnten, fährt van Leent fort.
Im DIQKD dient der Test „gezielt dazu, sicherzustellen, dass es zu keinen Manipulationen an den Geräten kommt – also zum Beispiel, dass zuvor keine versteckten Messergebnisse in den Geräten gespeichert wurden“, erklärt Weinfurter.
„Mit unserer Methode können wir nun geheime Schlüssel mit nicht charakterisierten und möglicherweise nicht vertrauenswürdigen Geräten generieren“, erklärt Weinfurter.
Eines der nächsten Ziele ist die Erweiterung des Systems um mehrere verschränkte Atompaare. „Dadurch könnten viel mehr Verschränkungszustände erzeugt werden, was die Datenrate und letztendlich die Schlüsselsicherheit erhöht“, sagt van Leent.
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Der geopolitische Ansturm auf die Entwicklung von Quantentechnologien aus Indien
Die Vereinigten Staaten, China, Russland und Großbritannien sind die globalen Akteure die einen Vorsprung im Quantenbereich haben. Die Absicht der Länder, Quantencomputer zu entwickeln, ist unwiderstehlich geworden gewinnen eine strategische Führungsrolle in den Bereichen Cybersicherheit, Geheimdienstoperationen und Wirtschaftsindustrie. Ved Shinde studiert Politikwissenschaften und Wirtschaftswissenschaften am St. Stephens College der Universität Delhi in Indien und ist der Autor dieses Überblicks über die globale Quantenentwicklung in „The Geopolitics“.
Die oben genannten Nationen haben anhänglich exponentielle monetäre Ressourcen für Quantenforschung und -entwicklung. Derzeit befindet sich in den Vereinigten Staaten der weltweit größte Quantencomputer, IBMs Eagle. Auch IBM sucht den Quantenraum mit einem Mega-Computerchip zu dominieren, der potenziell über 1.000 Qubits verarbeiten könnte. Technologiegiganten wie Google, Microsoft und IBM sind allesamt amerikanische Unternehmen, die es den Vereinigten Staaten ermöglichen, einen starken Vorsprung im Quantencomputing zu behalten.
China, die Vereinigten Staaten und das Vereinigte Königreich haben wettbewerbsfähige nationale Pläne, um Talente und Fachwissen im Bereich Informatik anzuziehen. Zum Beispiel die Chinesisch haben ihren „Tausend-Talente-Plan“, der weltweite Aufmerksamkeit erregt hat. Peking verschwendet Geld, um Wissenschaftler und Forscher anzulocken. China hat es auch investiert auf zwei verschiedenen architektonischen Wegen, um Rechenvorteile zu erzielen Quantenhoheit. Bei diesen Wegen handelt es sich um lichtbasiertes Gaußsches Boson-Sampling und elektronenbasiertes Zufallsquantenschaltkreis-Sampling, das auch in IBMs Eagle verwendet wird.
Sowohl die Vereinigten Staaten als auch China haben inländischen Unternehmen weitere Beschränkungen auferlegt, um den technologischen Austausch untereinander einzuschränken. Dies hat von verschiedenen Seiten Fragen zur geopolitischen Dynamik aufgeworfen, die die Lieferketten der Quantentechnologie prägt. Aufgrund ihres konzentrierten und kapitalintensiven Charakters unterliegen diese Lieferketten der Bedrohung geopolitischer Rivalitäten. Dies wird sich mit der Entwicklung von Regelungen zum geistigen Eigentum und globalen Standards für Quantentechnologien verstärken.
Frankreich, Deutschland, Australien, Kanada, Schweiz, Österreich, Israel, Niederlande, Indien, Südkorea, Singapur und Japan sind einige davon Sonstiges Nationen, die ebenfalls gebastelt haben klar definierte nationale Initiativen in Quantentechnologien.
Für ein Land wie Indien bieten Quantentechnologien vielfältige Möglichkeiten. Experten weisen darauf hin, dass Quantenverschlüsselung die Kommunikation sichern kann, Quantensimulation bei der Erforschung von Materialien für umweltfreundliche Technologien helfen kann und Quantensensorik dabei helfen kann, die Auswirkungen des Klimawandels abzubilden. Indien hat bereits eine Nationale Mission zu Quantentechnologien und -anwendungen (NMQTA) mit einem Gesamtbudget gestartet Aufwand von achttausend Crore Rupien und hat seine Absicht gezeigt, diese Technologien zu entwickeln.
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Sandra K. Helsel, Ph.D. forscht und berichtet seit 1990 über Grenztechnologien. Sie hat ihren Ph.D. von der Universität von Arizona.
