Der Inhalt dieses Metallzylinders könnte die Technik entweder revolutionieren oder sich als völlig nutzlos erweisen -- je nachdem, ob wir uns die seltsame Physik der Materie sehr, sehr kleiner Größenordnungen zunutze machen können. Um dies nur annährend tun zu können, muss die Umgebung genaustens kontrolliert werden: die dicke Tischplatte und -beine dämpfen Schwingungen, die durch Schritte, nahe Aufzüge und Türen verursacht werden. Der Zylinder ist eine Vakuumkammer, frei von allen in der Luft vorkommenden Gasen. In der Vakuumkammer ist ein kleineres, extrem kaltes Abteil, das nur von winzigen Laserstrahlen erreicht wird. Es enthält hochempfindliche Teilchen, aus denen ein Quantencomputer besteht. Warum sind diese Teilchen all den Aufwand wert? Theoretisch könnte die begrenzte Rechenleistung klassischer Computer von Quantencomputern weit übertroffen werden. Klassische Computer verarbeiten Daten in Form von Bits. Jedes Bit kann zwischen zwei Zuständen wechseln: null oder eins. Ein Quantencomputer verwendet Qubits, die zwischen null, eins und einer sogenannten Superposition wechseln können. Ist das Qubit in seiner Superposition, enthält es wesentlich mehr Informationen als null oder eins. Diese kann man sich wie Punkte auf einer Kugeloberfläche vorstellen: der Nord- und Südpol der Kugel entsprechen hierbei eins und null. Ein Bit kann nur zwischen diesen beiden Polen wechseln, aber ein in Superposition befindliches Qubit kann jeden beliebigen Punkt auf der Kugeloberfläche annehmen. Wir können es nicht exakt bestimmen -- in dem Moment, in dem wir es auslesen, geht das Qubit in null oder eins über. Obwohl wir das Qubit in Superposition nicht beobachten können, können wir es manipulieren, um bestimmte Operationen auszuführen.
The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer. So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
Bei zunehmend komplizierten Berechnungen benötigt ein klassischer Computer entsprechend mehr Bits, während ein Quantencomputer theoretisch mit immer komplizierteren Berechnungen umgehen kann, ohne dabei so viele Qubits zu benötigen wie ein klassischer Computer Bits.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
Die einzigartigen Eigenschaften von Quantencomputern resultieren aus dem Verhalten atomarer und subatomarer Teilchen. Diese Teilchen besitzen Quantenzustände, die dem Zustand des Qubits entsprechen. Quantenzustände sind unglaublich empfindlich, leicht zu zerstören durch Schwankungen von Druck und Temperatur, elektromagnetische Störfelder, und Zusammenstöße mit angrenzenden Teilchen. Deshalb brauchen Quantencomputer einen solch aufwendigen Aufbau. Und auch deshalb bleibt die hohe Rechenleistung von Quantencomputern vorerst Theorie. Wir können nur wenige Qubits zur gleichen Zeit am gleichem Ort kontrollieren.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
Zwei Schlüsselkomponenten dienen der effektiven Steuerung dieser wechselhaften Quantenzustände: die Art der Teilchen, die ein Quantencomputer benutzt und wie diese Teilchen manipuliert werden. Bis jetzt gibt es zwei führende Ansätze: Ionenfallen und supraleitende Qubits.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Ein Ionenfallen-Quantencomputer benutzt Ionen als Teilchen und manipuliert diese mit Lasern. Die Ionen werden in einer Falle gehalten, die mit elektrischen Feldern erzeugt wird. Eingangsignale der Laser sagen den Ionen, welche Operation auszuführen ist, indem sie den Zustand des Qubits auf der Kugel rotieren lassen. Stark vereinfacht: Die Laser könnten die Frage eingeben: Was sind die Primfaktoren von 15? Die Ionen geben als Antwort Photonen ab -- der Zustand des Qubits bestimmt, ob und wie viele Photonen von den Ionen emittiert werden. Ein bildgebendes Verfahren erfasst und verarbeitet diese zur Antwort: 3 und 5.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Quantencomputer mit supraleitenden Qubits machen das Gleiche, nur anders: Anstelle der Ionenfalle bedienen sie sich eines Chips mit elektrischen Schaltkreisen Jedem Zustand des elektrischen Schaltkreises entspricht ein Qubitzustand. Sie können mit elektrischen Signalen in Form von Mikrowellen angesprochen werden. Die Qubits stammen aus Ionen oder elektrischen Schaltkreisen, auf welche Laser oder Mikrowellen einwirken. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile. Ionen können sehr präzise manipuliert werden, und sind sehr langlebig. Werden jedoch weitere Ionen der Falle zugeführt, wird es sehr schwierig, jedes einzelne präzise zu beherrschen. Aktuell enthalten Fallen zu wenige Ionen für fortgeschrittene Rechenoperationen. Eine mögliche Lösung wäre die Verbindung mehrerer kleinerer Fallen sein, die miteinander über Photonen kommunizieren würden, anstatt eine große Falle zu erzeugen. Supraleitende Schaltkreise ermöglichen schnellere Operationen als Ionenfallen, und es ist einfacher, in einem Computer die Anzahl der Schaltkreise zu erhöhen, als die Zahl der Ionen. Aber die Schaltkreise sind empfindlicher, und haben kürzere Lebensdauern.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
Während Quantencomputer immer besser werden, unterliegen sie weiterhin Beschränkungen der Umweltbedingungen, welche zum Erhalt der Quantenzustände nötig sind. Doch trotz all dieser Hindernisse, ist es uns bereits gelungen, Rechenoperationen in Sphären zu vollziehen, die wir weder betreten noch uns vorstellen können.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.