2023 年 12 月20日
- Advanced Quantum 正在建造用於 DLR 訓練的迷你量子計算機，NVision 正在開發至少具有 50 個量子位元的量子電腦原型。
- 這兩個系統都使用晶體結構中的量子位元。
- Advanced Quantum 和 NVision 使用烏爾姆創新中心的實驗室，並擴展了 DLR 量子運算計畫的技術組合。
- 重點：量子技術、量子計算、數位化、技術轉讓
可供觸摸和試用的量子電腦——面向未來的用戶、學生、公司：德國航空航天中心 (DLR) 已委託開發一款用於培訓的特殊迷你量子電腦。來自 Allmersbach（巴登-符騰堡州）的新創公司Advanced Quantum正在開發一種行動雙量子位元系統和合適的教學概念。DLR 已將另一份合約授予烏爾姆（巴登-符騰堡州）的NVision Imaging Technologies公司。NVision 提供了至少具有 50 個量子位元的量子電腦原型。Advanced Quantum 和 NVision 都依賴固態自旋作為其技術基礎。
在這種類型的量子電腦中，計算和儲存單元嵌入固體的晶體結構中。為了創建這些“自旋量子位元”，NVision 使用基於結晶碳氫化合物的特殊設計分子。Advanced Quantum 使用碳化矽晶體。「我們期待烏爾姆創新中心成立兩個新的專案團隊。這意味著不僅DLR 量子計算計劃的技術組合在不斷增長，而且我們本地和整個德國生態系統的多樣性也在不斷增長。” Karla Loida， DLR 量子計算計劃(DLR QCI)硬體專案負責人。「透過培訓系統，我們也促進技術轉移。兩個量子位元演示器將在學校、貿易展覽和工業公司展示量子計算的工作原理，使用真實的量子位元和量子閘而不是模擬。”
固體中的晶體結構保護自旋量子位
在技術上實現量子計算機的量子位元有多種方法。DLR QCI 正在開發基於光子、中性原子和捕獲離子等的系統。這些方法在技術上非常不同，並且每種方法都具有使其對某些應用或多或少具有吸引力的特性。固態結構中自旋量子位元的特徵是其出色的小型化和抗外部幹擾的穩健性。這意味著該技術可用於生產更小、更密集的量子位元結構，這是具有大量量子位元並因此具有高運算能力的量子電腦的先決條件。
固態自旋量子位元如此堅固的事實是由於其特殊的物理結構：固體的晶體結構保護嵌入其中的自由電子，其自身的角動量（自旋）被用作量子位元。德國航太中心委託的兩家公司專門對固體晶格進行破壞：單一原子或分子導致自由電子集中在特定點。使用雷射和微波脈衝可以精確地改變自旋，並且只要它們足夠接近，就可以與周圍電子和原子的自旋相連。透過這種方式，創建了多個相互作用的量子位元的排列——這是量子計算的基礎。
用晶體中捕獲的電子進行計算
Advanced Quantum 使用碳化矽晶體作為自旋量子位元。具有兩個量子位元的「迷你量子電腦」大約有一個移動盒子那麼大。它的重量不到30公斤，可以在室溫和桌面上操作，只需要一個標準插座可供電力。
該演示器旨在清楚地展示量子計算機的實際工作原理。它適合那些沒有先驗知識但後來想在日常工作中使用量子電腦的人，也適合量子物理學研究人員和對工業感興趣的人。Advanced Quantum 透過針對不同目標群體的教學課程概念來支持這一點，重點關注理論和實驗直至個人評估。貿易展覽會、講座或培訓課程的靈活概念正在不斷進一步發展。
作為 DLR 量子計算計劃的一部分，NVision 正在開發一款具有至少 50 個量子位元的量子電腦。這些直接存在於結晶烴化合物中。量子電腦原型旨在具有可擴展性和可糾錯性。這意味著量子位元的數量可以增加，並且錯誤可以由量子電腦本身修正。容易出錯被認為是量子計算的最大障礙之一。借助功能良好的 50 量子位元量子計算機，可以測試不同的糾錯演算法。解決最初的量子化學問題也是可能的。未來，NVision 也將展示如何將該技術擴展到 1000 多個量子位元。
這兩筆訂單總金額為1400萬歐元。
DLR QCI 依賴多樣性
「DLR QCI 正在尋求不同的量子位元技術方法，以研究各自的優缺點。目前尚不清楚哪種量子電腦架構最終會流行，也不清楚不同的應用是否需要不同的技術。這就是為什麼 DLR 量子計算計劃注重多樣性，除了硬體之外，還為量子電腦開發演算法和軟體。這意味著量子計算機的建構和使用的結果在一項舉措中是相互關聯的。” 羅伯特‧阿克斯曼 (Robert Axmann)，DLR QCI 負責人。漢堡和烏爾姆的兩個創新中心正在開發量子電腦以及必要的技術、軟體和應用程式。同時，DLR QCI 支援向市場轉移，為德國具有全球競爭力的量子運算生態系統奠定基礎。
Advanced Quantum 和 NVision 使用 DLR QCI 烏爾姆創新中心的實驗室和辦公室來開發其量子運算專案。在 DLR 研究所附近，新創公司和公司正在生產基於鑽石（NV 中心）中性原子和氮空位的量子電腦、光子量子電腦、模擬電腦的混合系統以及作為 DLR 一部分的其他自旋系統量子計算倡議。這裡是量子比特。NV 中心也是固態自旋，在本例中是鑽石晶體。新訂單帶來了寶貴的綜效。在其他三個 DLR QCI 專案中，正在開發必要的基礎技術，即所謂的自旋量子位元使能技術：例如，Advanced Quantum 與SQuAp專案一起整合到 DLR QCI 中，用於測量自旋量子位元。此外，Advanced Quantum 和 NVision 將各自透過其硬體和開發工作來支援DLR QCI 應用專案。
DLR 量子計算計劃
德國航太中心量子計算計畫(DLR QCI) 涉及來自工業和商業、新創公司和研究機構的合作夥伴，共同開發量子電腦、支援技術、軟體和應用程式以及必要的經濟環境。聯邦經濟事務和氣候保護部( BMWK) 已為此目的向 DLR 提供資金。在漢堡和烏爾姆的兩個創新中心，德國航太中心為量子新創公司和工業聯盟提供實驗室、車間和辦公空間，從而捆綁基礎設施、專有技術和資源，以實現有效的技術轉移。這為德國量子電腦、量子運算生態系統創造了產業基礎和經濟環境。
使用量子位元進行快速計算
量子電腦是一項重要的未來技術：它們可以比經典超級電腦更快或更準確地執行某些計算和模擬。它們適用於運輸和能源領域、物流和最佳化等任務，以及許多與研究相關的問題，例如複雜系統建模或基礎研究。作為一種通用的量子力學工具，它們將能夠控制和聯網許多其他量子技術。為此，量子電腦利用糾纏和疊加等量子力學效應：它們的量子位元（qubit）可以同時呈現狀態 0 和 1，而不是像經典電腦那樣一個接一個地呈現狀態。這反過來又使量子電腦變得如此強大。德國航太中心未來也非常需要對量子電腦進行研究。此外，其他量子技術（例如量子感測器和測量設備）已經在開發用於太空應用。這種量子技術是德國經濟未來國際領先地位的基礎和突破性能力之一。
[照片]
(A) 螢光有機分子晶體
螢光有機分子晶體位於光學顯微鏡的低溫恆溫器（極低溫度的冷卻裝置）。在基於固態自旋的量子電腦中，計算和儲存單元嵌入固體的晶體結構中。
(B) 培訓演示系統
具有兩個量子位元的「迷你量子電腦」旨在展示量子電腦的實際工作原理。此訓練系統重量不到30公斤，可在室溫下在桌子上操作，只需要一個標準電源插座可供電力。