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Die kältesten Computer der Welt

Stellen Sie sich vor, die USA werden angegriffen. Ein feindliches Flugzeug, beladen mit Sprengköpfen, steuert auf die Küste zu und taucht in das Radar ein und aus. Kampfjets wurden durcheinander gebracht und es gibt eine verzweifelte Anstrengung, das Ziel zu lokalisieren.

Die beste Verteidigung der Nation ist jedoch kein Flugzeugträger oder Raketensystem. Es ist eine Schachtel mit unglaublich kalten Atomen.

"Benutze den Quantencomputer", schreit ein General. Die Atome im Computer können komplexe Probleme lösen und fast augenblicklich Anweisungen zum Neukonfigurieren eines Radararrays ausspucken, damit das feindliche Flugzeug verfolgt und gezielt werden kann.

Eine Firma, die sich bereits mit einem solchen Szenario auseinandersetzt, ist ColdQuanta. Vor kurzem wurde ein Vertrag mit der US-amerikanischen Verteidigungsforschungsagentur Darpa über den Bau eines Quantencomputers unterzeichnet, mit dem schnell ermittelt werden kann, wie Radargeräte im Falle eines teilweise ausfallenden Verteidigungssystems am besten neu positioniert werden können.

Das Projekt setzt voraus, dass genügend Atome als Qubits gesammelt werden können - die Bausteine ​​eines Quantencomputers, mit denen Berechnungen durchgeführt werden können.

Dazu müssen die Atome extrem kalt sein, was solche Computer zu den kältesten der Welt macht.

Quantum Computing ist vielbeschworen, aber die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Unternehmen fangen gerade erst an, Systeme zu bauen, von denen sie behaupten, dass sie eines Tages herkömmliche digitale Computer bei bestimmten nützlichen Aufgaben übertreffen werden.

"Was wir in den nächsten 40 Monaten tun sollen, ist die Möglichkeit, eine Maschine mit Tausenden von Qubits zur Lösung eines realen Verteidigungsproblems zu haben. Wir arbeiten an einer Version dieses Radars Deckungsproblem ", erklärt Bo Ewald, Geschäftsführer von ColdQuanta in Colorado.

Das obige Beispiel ist ein Optimierungsproblem, ein Szenario, für das es Tausende oder Millionen möglicher Lösungen geben kann. Der Schlüssel ist, den besten zu wählen.

Neben militärischen Anwendungen könnten Quantencomputer bei der Entwicklung von Arzneimitteln, bei Investitionsstrategien, beim Knacken von Verschlüsselungen und bei komplexen Planungsproblemen für große Fahrzeugflotten eingesetzt werden.

Laut Ewald werden hier Quantencomputer ihre ersten Auswirkungen haben - bei der Suche nach optimalen Lösungen für Probleme, deren Lösung vorhandene Computer, selbst die schnellsten Supercomputer, viele Stunden oder Tage in Anspruch nehmen würde.

Es gibt verschiedene Arten von Quantencomputern in der Entwicklung, aber der Ansatz, ultrakalte neutrale Atome als Qubits zu verwenden, ist ungewöhnlich - er unterscheidet sich von den supraleitenden Quantencomputern, die von großen Firmen wie IBM und Google entwickelt werden, oder von anderen Projekten, die ebenfalls geladene Atome verwenden stattdessen als Ionen bekannt.

Supraleitende Quantencomputer verwenden keine einzelnen Atome als Qubits, und obwohl diese Systeme auf niedrigen Temperaturen beruhen, sind sie nicht so niedrig wie diejenigen, die für die neutralen Atome von ColdQuanta benötigt werden.

"Die supraleitenden Leute rennen auf Millikelvin zu ... wir sind auf Mikrokelvin zurückzuführen", erklärt er stolz.

Kelvin ist eine Temperaturmessung. Null Kelvin, absoluter Nullpunkt (-273,15 ° C) ist der kälteste, den es je geben könnte.

Und während Millikelvin kalt ist, sind die Mikrokelvinatome von ColdQuanta mit 0,001 Kelvin viel kälter - mit etwa 0,000001 Kelvin. Beide sind in der Tat deutlich kälter als irgendwo sonst im natürlichen Universum.

In ColdQuantas Fall werden Rubidiumatome in einem Vakuum in einer winzigen, sechseckigen oder rechteckigen Glasbox gesammelt, die etwa einen Zentimeter breit, einen Zentimeter tief und zwei Zentimeter hoch ist. Die Atome werden rein von Lasern hochgehalten.

Aber warum ist die Temperatur so wichtig? Prof. Andrew Daley von der University of Strathclyde sagt, es sei entscheidend, die Atome manipulieren und an Ort und Stelle halten zu können.

Wenn Laser auf die Atome gerichtet werden, werden sie aufgefordert, etwas Energie freizusetzen und langsamer zu werden. Das macht es möglich, sie fast perfekt ruhig zu halten, was hier der eigentliche Punkt ist. Sie sind nicht kalt in dem Sinne, dass Sie oder ich uns Kälte vorstellen würden - vielmehr werden sie nur stark verlangsamt.

Sobald Sie Ihre Enten - Atome - hintereinander haben, können Sie sie nach Ihren Wünschen anordnen, sagt Prof. Daley. Diese feinkörnige Kontrolle über die Atome bedeutet, dass sie in zwei- oder dreidimensionalen Formationen angeordnet werden können, die im Herzen eines Quantencomputers nahe beieinander gepackt sind. Dies ist wichtig, da mit jedem weiteren Atom die Fähigkeiten des Computers verdoppelt werden.

Das Anstoßen jedes neutralen Atoms mit einem weiteren Laser regt sie an und vergrößert sie erheblich. Diese Anpassungen codieren Informationen oder verbinden die Atome über ein seltsames Phänomen, das als Verschränkung bezeichnet wird. Jetzt haben Sie eine Sammlung von Qubits, die zusammen als System fungieren und das Sie optimieren können, um ein mathematisches Modell oder Problem darzustellen.

Erstaunlicherweise könnte der Benutzer eines Quantencomputers dieses System theoretisch so programmieren, dass eine Vielzahl von Möglichkeiten gleichzeitig simuliert werden. Es ist nicht ganz wie bei einem herkömmlichen Computer, der viele Berechnungen parallel verarbeitet. Es ist seltsamer und weniger vorhersehbar, und es ist schwierig, am Ende eine nützliche Antwort zu erhalten.

"Was Sie wollen, ist, dass der Quantenzustand am Ende die Antwort auf das Problem darstellt, das Sie lösen möchten", sagt Jonathan Pritchard, Prof. Daleys Kollege bei Strathclyde. Der Quantencomputer sollte am Ende einen bestimmten Zustand oder eine bestimmte Antwort auf ein Problem bevorzugen.

Für das richtige Problem könnte es uns einer optimalen Antwort viel näher bringen, sowohl schneller als auch effizienter als ein herkömmlicher Computer.

"Wir warten wirklich immer noch auf eine Demonstration einer Computeraufgabe, bei der wir beweisen können, dass diese Maschinen etwas getan haben, was über das hinausgeht, was Sie auf einem klassischen Computer tun können - für etwas, das tatsächlich nützlich ist", sagt Prof. Daley.

Illustration of atoms

Das französische Unternehmen Pasqal baut ein Prototypsystem, das auf ähnlichen Prinzipien wie ColdQuanta basiert.

Das System von Pasqal ist für den Energieriesen EDF bestimmt, der, falls er funktioniert, supereffiziente Zeitpläne für das Laden von Elektrofahrzeugen erstellen wird. Insbesondere besteht das Ziel darin, die Gesamtzeit zu minimieren, die erforderlich ist, um das Aufladen aller Fahrzeuge abzuschließen, und gleichzeitig bestimmte wichtigere Fahrzeuge vor anderen zu priorisieren.

Diese Art von Problem könnte mit einem herkömmlichen Computer gelöst werden, räumt Christophe Jurczak, Vorsitzender, ein, aber er argumentiert, dass ein Quantensystem wesentlich schneller sein wird, beispielsweise in einer Stunde anstatt in 24 Stunden.

"Es scheint nicht so groß zu sein, aber wenn Sie Ihre Strategie stündlich aktualisieren möchten, ist das ein großer Unterschied", sagt er. Dabei verbraucht es möglicherweise 100-mal weniger Strom als ein Supercomputer.

All dies muss im Moment noch real demonstriert werden. Es gibt jedoch Anzeichen dafür, dass wir in den nächsten Jahren - schneller als erwartet - herausfinden werden, wie nützlich diese Art von verwirrend kaltem Computer wirklich ist.