Onderzoekers ontwikkelen nieuwe manier om qubits te manipuleren

Onderzoekers van een Australische universiteit hebben een nieuwe manier gevonden en ontwikkeld om qubits te manipuleren. De nieuwe methode maakt het volgens hen mogelijk om quantumcomputers met 'miljarden qubits' te produceren.

De ontdekking werd al in 2020 gedaan door een medewerker van de UNSW-universiteit van Sydney. Postdoc-onderzoeker Tuomo Tanttu ontdekte toen tijdens experimenten dat hij de spin van elektronen in quantumdots met elektrische velden kon manipuleren. Tot dusver gebruikte het laboratorium daar magneetvelden voor. Sinds 2020 heeft het onderzoeksteam, dat naast dr. Tanttu uit onder meer dr. Gilbert en professor Dzurak bestaat, de techniek verfijnd.

Illustratie intrinsic spin-orbit-EDSR

Tanttu deed de ontdekking min of meer bij toeval. Hij experimenteerde met verschillende geometrieën van de microgolfantennes waarmee hij de elektronenspin met een magneetveld beïnvloedt. Een van de experimentele antennes produceerde echter een veel sterker elektrisch veld dan het magneetveld, waarop de spin veel sterker reageerde dan het op magneetvelden deed. Daarmee is een derde manier ontwikkeld om elektronenspin in qubits te manipuleren, naast ESR en EDSR. Voor ESR, of electron spin resonance, worden microgolfantennes gebruikt en voor EDSR, of electric dipole spin resonance, worden magneetvelden gebruikt. Voor de nieuwe derde methode, de zogeheten intrinsic spin-orbit EDSR zijn geen magneten meer nodig om de qubits te manipuleren, wat hun 'aansturing' sterk vereenvoudigt. De techniek maakt gebruik van elektrische velden om de spin te manipuleren en zou het mogelijk maken de elektronenspin te veranderen zonder nabije qubits te beïnvloeden. Daarvoor zijn geen micromagneten of antennes vlak naast de gates nodig. De onderzoekers hebben hun werk in Nature gepubliceerd.

De onderzoeksgroep van Tanttu werkt samen met UNSW-spinoff Diraq, een quantumtechnologiebedrijf dat door Dzurak is opgericht. Dat toepasselijk genaamde bedrijf wil met bestaande chipproductietechnieken quantumcomputers op basis van cmos-quantumdots maken. Door die bekende productiemethoden te gebruiken, zouden quantumchips met miljoenen of zelfs miljarden logic gates gemaakt kunnen worden; hoe meer qubits een quantumcomputer heeft, hoe krachtiger hij is. Die logic gates bouwen de onderzoekers met qubits die bestaan uit quantumdots met 'gevangen' elektronen. Zonder afhankelijkheid van micromagneten om de spin van die elektronen te veranderen, kunnen de qubits in potentie dichter op elkaar in het siliciumsubstraat worden aangebracht.

Reacties (27)

[CopyCatz]

En de impact hiervan is?

[Coolstart]

Elektronenspin is een van de belangrijkste eigenschappen van qubits, omdat het kan worden gebruikt voor informatieopslag en -verwerking in een quantumcomputer. De spin van een elektron kan twee waarden hebben, "up" of "down", die kunnen corresponderen met de waarden "0" of "1" in een bit. Door de spin van een elektron heel precies te manipuleren, kunnen we de waarde van de qubit veranderen en zo informatie opslaan en verwerken. Zonder die manipulatie kan je niets berekenen.

De uitdaging is om die spin te regelen zonder een buur te ontregelen. Hoe fijnmaziger je kan regelen hoe meer qubits je kan verwerken in uw quantumcomputer. Meer stabiele qubits die langer kunnen werken = meer rekenkracht. Een elektronenspin die stabiel blijft over een lange tijd heeft een hoge coherencetijd. Stabilitiet, verkleining van de qubits en precisie zijn belangrijk voor de ontwikkeling van de quantum computer.

Coherencetijd is een term die gebruikt wordt in de kwantummechanica en verwijst naar de tijdsduur waarin een systeem in een bepaalde kwantumtoestand kan blijven, zonder dat deze toestand wordt aangetast door omgevingsinvloeden zoals temperatuur of interne fouten.

Hoe langer de coherencetijd, hoe preciezer de manipulatie en metingen kunnen worden uitgevoerd met de qubits, en dus hoe groter de mogelijkheden voor het bouwen van een kwantumcomputer.

Btw, Qubits zijn iets heel speciaals. Ze kunnen in superpositie van verschillende staten zijn. Dit betekent dat een qubit zowel de waarde 0 als 1 tegelijkertijd kan aannemen. Dit maakt het mogelijk voor een quantum computer om meerdere berekeningen tegelijkertijd uit te voeren. Daarnaast kan een qubit ook gekoppeld zijn met andere qubits, in een fenomeen genaamd entanglement, dit verhoogt het aantal combinaties van staten waar een qubit in kan zijn. Dit maakt het mogelijk dat een quantum computer complexe berekeningen snel en efficiënt uit te voeren.

De (potentiële) rekenkracht van een quantum computer maakt het mogelijk om bepaalde soorten berekeningen uit te voeren die met een traditionele computer niet mogelijk zijn of zeer tijdrovend zijn. Denk aan Cryptografie, Optimisatie-problemen (vind de kortste weg..) en Machine learning om realtime grote hoeveelheden data te verwerken.

[Reactie gewijzigd door Coolstart op 26 juli 2024 00:53]

[Gps4l]

Dank je wel, voor deze uitleg, al wil ik best toegeven dat ik hoofdpijn krijg bij het begrip super positie.

Mijn intuïtie komt in opstand, maar de grote vraag is of onze intuïtie wel werkt op deze schaal.

Wat mij wel geholpen was een antwoord wat ik kreeg op het wetenschapsforum en dat was dat kwantum computers net als binaire computers met gates werken.

Niet dat ik me iets voor kan stellen bij een kwantum gate, maar je kan niet alles hebben.

Ooit op de MAVO nog geleerd dat een atoom het kleinste deeltje was, maar dat is inmiddels al achterhaald.

up down / charm strange / top bottom.

[Coolstart]

Super positie is de eigenschap van een qbit om tegelijk 1 of 0 te zijn, simultaan. Men kan met quantum gates de kans dat een qbit 1 of 0 is aanpassen. Bijvoorbeeld de Phase shift gate kan die kans op een 1 of 0 aanpassen zodat de kans niet 50/50 is.

Een quantum gate wordt aangestuurd door een laserstraal of een elektromagnetisch veld. In dit geval kan men dat blijkbaar ook met microgolfantennes de 1 of 0 kans van een qbit manipuleren.

Een Quantum gate kan je het beste vergelijken met een logic gate. Bijvoorbeeld de Pauli-X gate of NOT gate. Die kan een Qubit omdraaien van 0 naar 1 of omgekeerd. Daar is de kans dus 100% voor een qbit flip. Verschillende gates vormen samen een circuit en meerdere circuit kunnen een bepaald algoritme aansturen. Klassieke elektronische Logic gates spuwen steeds het zelfde antwoord uit, een quantum circuit niet.

Bijvoorbeeld Shor's algoritme om RSA encryptie te kraken is een algorithme maakt gebruik van meerdere Quantum gates (Hadamard gate, Not gates etc) Door het feit dat elke qbit in superpositie is (1 of 0 kan zijn met een bepaalde kans afhankelijk van de gate) kan je veel parallele berekeningen maken op het zelfde moment waardoor je veel tijd kan besparen (vs een klassieke computer) om iets complex uit te rekenen of een database te doorzoeken.

[Reactie gewijzigd door Coolstart op 26 juli 2024 00:53]

[Gps4l]

Dank je wel, ik begin eindelijk te begrijpen waarom een kwantum computer "sneller/beter" kan rekenen.

De populaire uitleg in veel you tube filmpjes, helpt mij absoluut niet.
Die uitleg is waarschijnlijk ook niet gericht op mensen die schakel logica gehad hebben en dus weten wat gates zijn.

Ik houd me maar vast aan een uitspraak van Feynman.
Als je denkt dat je kwantum mechanica begrijpt, dan heb je er niks van begrepen.
Toch kunnen "we" inmiddels kwantum computers maken.

[Cuverclub]

Dat het atoom niet het kleinste deeltje was. Toen begon voor mij de zoektocht wat tot een gedachte experiment ging leiden:
Dat de kern o.a. neutronen bevatte, de kern was net zo positief als het aantal "elektronenparen" er omheen.
Maar destijds vond ik dat al vreemd en toen zeiden ze het is een model, voorstelling om mee te kunnen rekenen. Helaas ik kan niet rekenen dus gebruikte ik wiskunde en dat kwam voor mij met vragen toen licht bij natuurkunde werd besproken, als deeltje en als straling. Maar het Dopplereffect zou te moeilijk zijn en daarvoor ben ik in een natuurmuseum in de vakantie geweest en bleek dit niet eens zo moeilijk.
Later op het MBO werd de kracht, snelheid van de deeltjes behandeld (golfsterkte, hoogenergetische deeltjes, frequentie, amplitude etc.).
Elektronen kunnen door sneller te gaan in een andere baan schieten en zelfs eruit knallen.
Maar dan klopt de lading toch niet meer in een molecuul?
Met de orbitaal theorie die ik beter kon uitleggen dan de docente destijds werden voor mij meer vragen opgeroepen en in een papieren boek in het Engels ging ik daar ook dieper naar zoeken (komt in conclusie terug)
Proefjes met straling, eerst licht daarna radioactief, en theoretisch was de kwantum wereld heel ver weg toen.
Lichtsnelheid was iets waarvoor ik nog 2 maal terug ben gegaan om toe te geven dat ik fout zat bij een proefwerkvraag en daarna omdat het toch wel weer klopte.
Het snelste "deeltje" zou een klok stilzetten maar als je op de foton reist zal je donker zien was mijn gedachte, maar als de snelheid nog steeds gelijk is t.o.v. de met lichtsnelheid bewegende oogjes blijf je wel zien, dat de klok terug tikt kan biologisch niet want dan zouden de lichtdeeltjes uit je oogjes komen. (superman effect LOL)
Gelukkig is de "kwantumwereld" veel gemakkelijker, niet meer gebonden aan wetten en regels, licht gaat niet altijd even snel, we kunnen echter niet anders waarnemen dan in de tijd.
Achteraf meten, dus vooraf proberen te weten wat in het verleden gebeurt dan moet je de tijd losmaken.
In bijna alle formules is tijd een factor, als je die verwijderd uit een formule kan dit alleen in gedachte.
Ruimtetijd zonder tijd was uiteindelijk waar ik inzag hoe de kwantumwereld eruit zou kunnen zien.
Die beelden van de Webb telescoop waarop lijkt dat er dingen verschoven zijn, alsof de foto bewegende beelden heeft gemaakt is tot nu toe het duidelijkste voorbeeld dat afbuigende fotonen een langere weg afleggen zonder de kleur verschuivingen zoals bij het dopplereffect.
Maar dit zijn stralen die al onderweg zijn sinds het eerste licht ontstond. Zou je vertragen wat je ziet, de camera stil houden op het moment van ontstaan, voordat verstrengeling heeft plaats gevonden, toen de tijd nog stilstond of niet daar was, zie je dan zonder buigingen de werkelijkheid (zoveel jaren geleden).
Dan kom ik terug bij die klok die waar je met de maximale snelheid van vertrekt en die je dan nog moet zien omdat de fotonen nog steeds je oog zenuw prikkelen om beeld te laten zien, met een camera die alleen werkt totdat iets zich sneller verwijderd dan het licht zou je alleen het verleden zien, verder kijken heb je andere methodes voor nodig (geen glazen bol, alhoewel breking van licht een goed voorbeeld is van verschillende lichtsnelheid waardoor je objecten gekromd kan zien terwijl ze dat niet zijn).
Zou je zo'n bol plat willen weergeven zoals de wereldkaart bijvoorbeeld zul je de tijd moeten stoppen, wij reizen echter altijd in de tijd want we bewegen altijd, als je een atoom stilzet in onze tijd dan beweegt het nog steeds, als je een deeltje stiller wilt zetten krijg je met energieën te maken die wij nog niet kunnen meten.
Zonder naar allerlei externe sites en of onderzoeken met resultaten te verwijzen is door dit simpele gedachten experiment voor mij glashelder hoe die elementaire deeltjes communiceren.
Al die rare namen en beschrijvingen blijft voor mij een wirwar waarmee ze proberen onze wetten op te dringen. We weten dat Energie <=> Massa (zonder eenheid van tijd in de formule) volgens mij altijd moet gelden. Stel we meten (in onze tijdlijn) een toename of afname dan moet er aan de andere kant iets zijn gebeurt, is dit niet zo dan is de toestand veranderd. Anders gezegd als een experiment altijd dezelfde uitkomst geeft is de afwijking dan te wijten aan positie, voor ons 1 of 0, zelfs 1 en 0 tegelijk, er precies tussenin hebben we nu ook beschreven maar kleiner dan dat (1/4 en 3/4 bijv.) nog niet.
Als er een grens moet worden getrokken zou ik weer naar een klok kijken, die draait rond en je kan hem terug laten draaien maar komt altijd weer langs dezelfde punten.
Licht van startpunt 0 komt ook bij 1 en terug, aan de randen van de ruimte is alle energie naar binnen gericht en zouden dan alle deeltjes in orbitalen om de kern heen gaan dan zien wij alleen de spiegel vanuit de binnenzijde, een bolle spiegel werkt als een bolle lens en de achteruitkijkspiegel kun je niet gebruiken.
Zo simpel ligt het voor mij eigenlijk ;-) voorlopig dan :-)

[Mushroomician]

Ik zou aanraden om Leonard Susskind Theoretical Minimum deel 2 in armen te nemen. Een boek van iets meer dan een tientje, met bijgaand de volledige lectures van de auteur op youtube. Niet dat ik het nu helemaal snap, maar na 3 a 4 hoofdstukken heb je er wel een vollediger intuïtie van.

[blorf]

Volgens mij moet het cruciale component nog steeds worden uitgevonden. Dat wat het systeem onderscheidt van transistor-computers, en dan de meest elementaire beschrijving daarvan die haalbaar is, zoals die van een transistor in een schoolboek.
In een simulatief/emulatie met conventionele software zouden we bij een niet te doorgronden functie moeten uitkomen.

[Reactie gewijzigd door blorf op 26 juli 2024 00:53]

[Martijntjeh]

Je zegt machine learning. Zou je daar iets meer over kunnen vertellen? ( Je hebt er verstand van en nu met gpt-3 is dat toch best wel een dingetje.)

[vgroenewold]

* zucht * Het hoeft niet meteen impact te hebben, het is opbouwen van fundamentele kennis. Je weet wel, waarop uiteindelijk de huidige technologie gebaseerd is.

[Wielink]

Als dit nodig is voor het fundament, heeft het dus ook impact. De OP vroeg zich waarschijnlijk alleen af hoe dit bijdraagt aan het uiteindelijke doel. Dat was niet duidelijk in het artikel beschreven en lastig te begrijpen voor een leek.

[vgroenewold]

Ja maar dat is meestal niet wat er bedoelt wordt. Dat jij fundamenteel onderzoek impact vindt hebben is mooi, maar juist niet wat veel mensen vinden in de praktijk "kost alleen maar geld" etc.

[thijsjek]

Dat je een grote quantum computer waarschijnlijk ook met silicium kan maken.

[Mijzelf]

En de impact hiervan is?

Dat je 1024 bits encryptie ook niet veilig meer is.

[Tapgames]

Skynet?

[ro8in]

Nee en quantum computer is niet specifiek beter in AI dan een conventionele computer. Een quantum computer is niet per definitie sneller dan een conventionele computer. Sterker nog we weten eigenlijk nog niet zo goed wat we met quantum computers kunnen.
Ze zijn vooral goed in complexe berekeningen die in parallel gedaan kunnen worden. Helaas hebben wij echter nog niet veel reken modellen die dit nodig hebben en dus hebben wij er tot op heden nog niet zoveel aan.
Uiteraard zijn er wel een hoop berekeningen die in parallel gedaan kunnen worden, maar dit zijn vaak simpele berekeningen, waarbij een GPU of Asic dit waarschijnlijk al sneller doet dan een quantum computer. Het gaat pas om berekeningen te ingewikkeld voor een GPU, maar te veel parallel voor een CPU. Echter hebben wij niet zoveel wiskunde problemen die hier aan voldoen.
Zie een quantum computer een beetje als de een processor welke net zoveel parallel kan verwerken als een GPU, maar elke core net zo complexe vraagstukken kan verwerken als een CPU.

We weten dat we elke qbit in 3 posities kunnen brengen en dat we qbits aan elkaar kunnen verstrengelen. Maar wat we daar dan precies mee moeten? Joost mag het weten. Dat is eigenlijk ook een beetje de volgende stap. Het zou ook zomaar kunnen dat we gewoon geen toepassing hiervoor kunnen vinden en dat quantum computers op een gegeven moments gewoon weer abandoned raken.

[blorf]

Bij AI wil je zoveel mogelijk thread-forks kunnen uitvoeren die eventueel ook later onderling weer data kunnen uitwisselen. Het mooiste wat je die onderzoekers zou kunnen geven is een CPU-register die parallel een groot aantal verschillende bit-reeksen kan vasthouden zonder iets in de RAM op te slaan.

[MennoE]

Het is al een tijdje terug dat ik les had in quantum mechanica. Maar is er inmiddels al een antwoord op de grote vraag zoals ik mij die herinner, namelijk hoe het kan dat deeltjes die volledig los van elkaar staan toch als verbonden op elkaar reageren?

[Gps4l]

Zoals ik het begrijp weten ze niet hoe entanglement (of spooky action at a distance) werkt.
Wel weten ze dat het bestaat.

Ook kunnen ze, een entangled (verbonden?) paar maken.

[xxdolcexx]

ER = EPR, met wormgaten

[Verwijderd]

Maar goed dat ze de term Quantum supremacy gaan afschaffen.
The appearance of evil kan enorm schadelijk zijn voor dit soort onderzoek.

[Stephan p]

Een kaar kleine foutjes in het artikel:

Spin manipulatie wordt gedreven met een oscillerend elektrisch of magnetisch veld (MW veld).

Wanneer een AC magnetisch veld wordt gebruik, wordt het ESR genoemd, de spin reageert direct op het magnetische veld en kan energie van het velt ontnemen/terug geven.

Wanneer een AC elektrisch veld wordt gebruikt, wordt het EDSR genoemd, de spin is ongevoelig aan een elektrisch veld, dus je moet hem helpen :
hiervoor wordt spin-baan koppeling gebruikt :
- sommige materialen hebben het op zich zelf (e.g. Ge, GaAs, ...), in Si is het wat kleiner.
- je kan het artificieel maken door een kleine magneet op de chip te plaatsen (micrometer grootte), als je met het elektrische veld het electron beweegt, verander je het lokale magnetische veld (elektrische veld is omgezet in een magnetisch veld)
- je kan hybridiseren met een excited state die een andere g-factor heeft als je ground state (dit artikel).

[Farr]

Volgend filmpje legt in jip en janneke taal hoe een quantumcomputer verschilt van de traditionele computer zoals we het vandaag kennen: https://www.youtube.com/watch?v=XaGPLAMhesg

[TheW0LVERIN3]

(verwijderen aub)

[Reactie gewijzigd door TheW0LVERIN3 op 26 juli 2024 00:53]

[Keyb]

https://en.wikipedia.org/wiki/Shor%27s_algorithm

[Tomatoman]

Uit jouw eigen artikel:

In 2001, Shor's algorithm was demonstrated by a group at IBM, who factored 15 into into 3 × 5 using an NMR implementation of a quantum computer with 7 qubits.[…] Later, in 2012, the factorization of 21 was achieved. In 2019 an attempt was made to factor the number 35 using Shor's algorithm on an IBM Q System One, but the algorithm failed because of accumulating errors.

Though larger numbers have been factored by quantum computers using other algorithms, these algorithms are similar to classical brute-force checking of factors, so unlike Shor's algorithm, they are not expected to ever perform better than classical factoring algorithms.

Wat ik beweer staat nota bene in je eigen bron. Ik snap dan ook niet waarom mijn reactie met -1 wordt beoordeeld – die beoordeling is bedoeld voor trolls, flamebaits en anderszins ongewenste reacties. Anders dan op sites zoals Reddit behoort op Tweakers een reactie waarmee je het ineens bent maar die wel gewoon in topic is te worden beoordeeld met +1.

[Reactie gewijzigd door Tomatoman op 26 juli 2024 00:53]