The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

Übersetzung: Lotta Glotta Lektorat: Ninja Katja Horr

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

Der Inhalt dieses Metallzylinders könnte die Technik entweder revolutionieren

or be completely useless—

oder sich als völlig nutzlos erweisen --

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

je nachdem, ob wir uns die seltsame Physik der Materie

sehr, sehr kleiner Größenordnungen zunutze machen können.

at very, very small scales.

To have even a chance of doing so,

Um dies nur annährend tun zu können,

we have to control the environment precisely:

muss die Umgebung genaustens kontrolliert werden:

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

die dicke Tischplatte und -beine dämpfen Schwingungen,

die durch Schritte, nahe Aufzüge und Türen verursacht werden.

nearby elevators, and opening or closing doors.

The cylinder is a vacuum chamber,

Der Zylinder ist eine Vakuumkammer,

devoid of all the gases in air.

frei von allen in der Luft vorkommenden Gasen.

Inside the vacuum chamber is a smaller,

In der Vakuumkammer ist ein kleineres, extrem kaltes Abteil,

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

das nur von winzigen Laserstrahlen erreicht wird.

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

Es enthält hochempfindliche Teilchen, aus denen ein Quantencomputer besteht.

So what makes these particles worth the effort?

Warum sind diese Teilchen all den Aufwand wert?

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

Theoretisch könnte die begrenzte Rechenleistung klassischer Computer

of classical computers.

von Quantencomputern weit übertroffen werden.

Classical computers process data in the form of bits.

Klassische Computer verarbeiten Daten in Form von Bits.

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

Jedes Bit kann zwischen zwei Zuständen wechseln: null oder eins.

A quantum computer uses something called a qubit,

Ein Quantencomputer verwendet Qubits,

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

die zwischen null, eins und einer sogenannten Superposition wechseln können.

While the qubit is in its superposition,

Ist das Qubit in seiner Superposition,

it has a lot more information than one or zero.

enthält es wesentlich mehr Informationen als null oder eins.

You can think of these positions as points on a sphere:

Diese kann man sich wie Punkte auf einer Kugeloberfläche vorstellen:

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

der Nord- und Südpol der Kugel entsprechen hierbei eins und null.

A bit can only switch between these two poles,

Ein Bit kann nur zwischen diesen beiden Polen wechseln,

but when a qubit is in its superposition,

aber ein in Superposition befindliches Qubit

it can be at any point on the sphere.

kann jeden beliebigen Punkt auf der Kugeloberfläche annehmen.

We can’t locate it exactly—

Wir können es nicht exakt bestimmen --

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

in dem Moment, in dem wir es auslesen, geht das Qubit in null oder eins über.

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

Obwohl wir das Qubit in Superposition nicht beobachten können,

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

können wir es manipulieren, um bestimmte Operationen auszuführen.

So as a problem grows more complicated,

Bei zunehmend komplizierten Berechnungen

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

benötigt ein klassischer Computer entsprechend mehr Bits,

während ein Quantencomputer theoretisch

while a quantum computer will theoretically be able to handle

mit immer komplizierteren Berechnungen umgehen kann,

more and more complicated problems

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

ohne dabei so viele Qubits zu benötigen wie ein klassischer Computer Bits.

The unique properties of quantum computers

Die einzigartigen Eigenschaften von Quantencomputern

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

resultieren aus dem Verhalten atomarer und subatomarer Teilchen.

These particles have quantum states,

Diese Teilchen besitzen Quantenzustände,

which correspond to the state of the qubit.

die dem Zustand des Qubits entsprechen.

Quantum states are incredibly fragile,

Quantenzustände sind unglaublich empfindlich,

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

leicht zu zerstören durch Schwankungen von Druck und Temperatur,

stray electromagnetic fields,

elektromagnetische Störfelder,

and collisions with nearby particles.

und Zusammenstöße mit angrenzenden Teilchen.

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

Deshalb brauchen Quantencomputer einen solch aufwendigen Aufbau.

It’s also why, for now,

Und auch deshalb bleibt

the power of quantum computers remains largely theoretical.

die hohe Rechenleistung von Quantencomputern vorerst Theorie.

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

Wir können nur wenige Qubits zur gleichen Zeit am gleichem Ort kontrollieren.

There are two key components involved

Zwei Schlüsselkomponenten dienen

in managing these fickle quantum states effectively:

der effektiven Steuerung dieser wechselhaften Quantenzustände:

the types of particles a quantum computer uses,

die Art der Teilchen, die ein Quantencomputer benutzt

and how it manipulates those particles.

und wie diese Teilchen manipuliert werden.

For now, there are two leading approaches:

Bis jetzt gibt es zwei führende Ansätze:

trapped ions and superconducting qubits.

Ionenfallen und supraleitende Qubits.

A trapped ion quantum computer uses ions as its particles

Ein Ionenfallen-Quantencomputer benutzt Ionen als Teilchen

and manipulates them with lasers.

und manipuliert diese mit Lasern.

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

Die Ionen werden in einer Falle gehalten, die mit elektrischen Feldern erzeugt wird.

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

Eingangsignale der Laser sagen den Ionen, welche Operation auszuführen ist,

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

indem sie den Zustand des Qubits auf der Kugel rotieren lassen.

To use a simplified example,

Stark vereinfacht:

the lasers could input the question:

Die Laser könnten die Frage eingeben:

what are the prime factors of 15?

Was sind die Primfaktoren von 15?

In response, the ions may release photons—

Die Ionen geben als Antwort Photonen ab --

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

der Zustand des Qubits bestimmt,

ob und wie viele Photonen von den Ionen emittiert werden.

and how many photons it emits.

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

Ein bildgebendes Verfahren erfasst und verarbeitet diese zur Antwort:

3 and 5.

3 und 5.

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

Quantencomputer mit supraleitenden Qubits machen das Gleiche, nur anders:

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

Anstelle der Ionenfalle bedienen sie sich eines Chips mit elektrischen Schaltkreisen

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

Jedem Zustand des elektrischen Schaltkreises entspricht ein Qubitzustand.

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

Sie können mit elektrischen Signalen in Form von Mikrowellen angesprochen werden.

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

Die Qubits stammen aus Ionen oder elektrischen Schaltkreisen,

acted on by either lasers or microwaves.

auf welche Laser oder Mikrowellen einwirken.

Each approach has advantages and disadvantages.

Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile.

Ions can be manipulated very precisely,

Ionen können sehr präzise manipuliert werden,

and they last a long time,

und sind sehr langlebig.

but as more ions are added to a trap,

Werden jedoch weitere Ionen der Falle zugeführt,

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

wird es sehr schwierig, jedes einzelne präzise zu beherrschen.

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

Aktuell enthalten Fallen zu wenige Ionen für fortgeschrittene Rechenoperationen.

but one possible solution might be to connect many smaller traps

Eine mögliche Lösung wäre die Verbindung mehrerer kleinerer Fallen sein,

that communicate with each other via photons

die miteinander über Photonen kommunizieren würden,

rather than trying to create one big trap.

anstatt eine große Falle zu erzeugen.

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

Supraleitende Schaltkreise ermöglichen schnellere Operationen als Ionenfallen,

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

und es ist einfacher, in einem Computer die Anzahl der Schaltkreise zu erhöhen,

than the number of ions.

als die Zahl der Ionen.

But the circuits are also more fragile,

Aber die Schaltkreise sind empfindlicher,

and have a shorter overall lifespan.

und haben kürzere Lebensdauern.

And as quantum computers advance,

Während Quantencomputer immer besser werden,

unterliegen sie weiterhin Beschränkungen der Umweltbedingungen,

they will still be subject to the environmental constraints

needed to preserve quantum states.

welche zum Erhalt der Quantenzustände nötig sind.

But in spite of all these obstacles,

Doch trotz all dieser Hindernisse,

we’ve already succeeded at making computations

ist es uns bereits gelungen, Rechenoperationen

in a realm we can’t enter or even observe.

in Sphären zu vollziehen, die wir weder betreten noch uns vorstellen können.