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Der Klang des Quantums

(2023)

Riverlane ist ein britisches Technologieunternehmen, das sich auf Quantencomputing spezialisiert hat. Ihr Ziel ist es, Quantencomputer durch die Entwicklung von Fehlerkorrektur-Stacks wie „Deltaflow“ praktikabler zu machen. Diese Technologie soll die Anzahl der Fehler in Quantenoperationen erheblich reduzieren und so den Weg für nützliche Quantenanwendungen ebnen.

1) https://www.cpfs.mpg.de/3268411/research_report_11861504?c=1902329

2) https://www.spektrum.de/news/versteckt-sich-die-weltformel-im-klang-der-raumzeit/2214009

Wie klingt ein Quantencomputer? Ein kürzlich erschienener Hackathon bei unserem Deltaflow.Control-Team führte zur weltweit ersten (inoffiziellen) QuantumVision Song Competition.

Das Wort „Hackathon“ ist eine Kombination aus „Hack“ und „Marathon“.

Es bezeichnet ein kreatives, oft mehrtägiges Event, bei dem Menschen – meist aus den Bereichen Software, Design, Technik oder Daten – gemeinsam an Projekten arbeiten. Ziel ist es, innerhalb kurzer Zeit (z. B. 24–72 Stunden) ein funktionierendes Produkt, eine Idee oder einen Prototyp zu entwickeln.

Typisch für einen Hackathon:

• Teams oder Einzelpersonen arbeiten an einem bestimmten Thema oder Problem.

• Es geht um schnelles, kreatives Problemlösen.

• Oft gibt’s am Ende eine Präsentation oder ein Pitch vor einer Jury.

• Manchmal winken Preise, manchmal geht es eher um Austausch und Innovation.

Beispiele:

• Tech-Hackathon: Bau eine App oder ein Tool.

• Musik-Hackathon: Entwickle ein innovatives Musikinstrument oder eine neue Klang-Software.

• Kunst-Hackathon: Kombiniere Technologie und Kunstformen.

• Sozialer Hackathon: Entwickle Lösungen für gesellschaftliche Probleme.

Es gab zwei Ideen für das Experiment: Erstens, ein pulsergenerierendes Kontrollsystem zu verwenden, um ein bisschen Musik zu machen. Unser Deltaflow.Control-System steuert Qubits effektiv mit Funkimpulsen im Frequenzbereich von 10 bis 450 MHz. Während des Hackathons haben wir diese Regelimpulse auf etwas Melodisches umgestellt und selbstverstehende und bekannte Songs verwendet, um unser Kontrollsystem zum „Singen“ zu bringen.

Der Gewinner der Kategorie „bester Song“ ging an unseren Quantum Control Engineer Mitch Peaks, der die Deltaflow.Control-Bibliothek verwendete:

Zweitens:  Wir wollten unser Kontrollsystem nutzen, wie es unsere Nutzer verwenden würden, und um Verbesserungen an unserer Dokumentation, der Nutzbarkeit unserer Bibliotheken, der Qualität der Beispiele usw. zu entwickeln. In dieser Kategorie war der Gewinner Anton Buyskikh, unser leitender Quantum-Wissenschaftler:

Der Hackathon machte viel Spaß – und natürlich beinhaltete er bei Riverlane ein kostenloses Mittagessen. Aber es hatte auch eine sehr ernste Seite. Eine der schwierigsten Anforderungen beim Aufstocken eines Quantencomputers ist die genaue Ausrichtung zwischen mehreren Hochfrequenzausgängen. Das Deltaflow.Control-Team ist besessen von baubaren Werkzeugen, die das deterministische Verhalten der Hardware bei der Steuerung der Qubits garantieren, was ein wichtiger Schritt zur Quantenfehlerkorrektur ist.

Die meisten Quantenarchitekturen verwenden zum Beispiel Paar von Laserstrahlen, um ein Quantentor auf einem Qubit auszuführen. Jeder Laserstrahl muss mit unglaublicher Genauigkeit ausgerichtet sein – innerhalb weniger Mikrometer, während der Motorleistung, Position und Phase jedes Strahls stabilisiert wird. Die geringste Abweichung verhindert, dass der Quantencomputer effektiv funktioniert. Und wenn man bis zum Millionen-Qubit-Bereich skaliert, müssen Millionen von Lasern präzise abgestimmt und ausgerichtet sein.

Die gleiche Anforderung gilt für andere Quantenarchitekturen wie supraleitende und neutrale Atome: Großformatige Quantencomputer benötigen hochbestimmte, hochpräzisen Hochgeschwindigkeits-Pulssequenzen, um ihre Qubits zu steuern.

Hier setzt unsere Hochgeschwindigkeits- und Hochgenauigkeitsregelung Deltaflow.Controlein. Deltaflow.Control abstrakt und vereinfacht die Konfiguration und den Betrieb eines Qubit-Reglersystems, so dass Wissenschaftler mehr Zeit haben, sich auf ihre Forschung zu konzentrieren.

Um die Musik-Analogie weiter zu erweitern, während aktuelle Qubit-Control-Systeme das Äquivalent zum Senden einer WAV-Datei sind, bauen wir ein System auf, als MIDI-Dateien sendet. Eine WAV-Datei ist nur eine Sammlung von Sound-Samples mit einer bestimmten Geschwindigkeit, aber ein MIDI ist eine Datei mit Anweisungen an einen Spieler, die ihm sagen, wann und wie man eine bestimmte Note abspielt.

Mit Deltaflow.Control definieren Benutzer datumsdeterministische Sequenzen von Operationen, für die der Control-Software-Stack die erforderlichen Micro-Anweisungen auf niedrigem Niveau ausgibt. Um dies zu erreichen, bedarf es mehr als nur der Beherrschung bei der Herstellung der Hardware-Boards und der FPGA-Logik und erfordert auch eine extrem intelligente Zuordnung des Anwendungsprogramms in Low-Level-Pulssequenzen.

Unser Deltaflow.Control-Team hat auch einen Compiler entwickelt, der eine präzise Ausrichtung auf mehrere Boards über Latenzausgleich und Multipassanalyse der Zwischendarstellungen ermöglicht. Wenn ein Benutzer mehr verlangt, als die Hardware kann, wird die Deltaflow.Control-Software einen informativen Fehler zur Kompilierungszeit auslösen und Änderungen vorschlagen. Dies bedeutet, dass es keine bösen Überraschungen im Labor gibt, was dazu beiträgt, die Arbeitsbelastung eines Benutzers zu reduzieren, anstatt die Notwendigkeit zusätzlicher Kontrollen zu schaffen.

Deltaflow.Control wird bereits heute von einigen der weltweit führenden akademischen Labors verwendet, darunter die University of Wisconsin, die Duke University, die University of Oxford und die University of Innsbruck. Riverlane arbeitet auch mit mehr als einem Drittel der weltweiten Quantum-Hardware-Unternehmen zusammen, wie Infleqtion (ehemals Cold Quanta), Qolab, Quera, Seeqc, Rigetti und Universal Quantum.

Diese Arbeit wirkt sich auf die Korrektur des Quantenfehlers aus. Dies liegt daran, dass die Gewährleistung des deterministischen Verhaltens der Steuerungshardware der erste Schritt zur fehlertoleranten Ausführung ist.

Es beeinflusst die Qualität der Regelfolgen, die Komplexität der Interaktion zwischen den verschiedenen beweglichen Teilen (Kalibrierung, Quantenfehlerkorrektur, Betriebsplanung und mehr).

Es ist wahrscheinlich das härteste Feature, um in einem System „post“ einzufügen, und es hat Auswirkungen auf alle Aspekte des Hard- und Softwaredesigns.

Das Deltaflow.Control-Team verstand die Bedeutung deterministischen Verhaltens und entwickelte seine Lösung, um hochpräzise, hohe Drehzahl-Pulssequenzen zu erzeugen, um Qubits zu steuern. Es hat weniger als 12 Monate von einer Whiteboard-Skizze bis zu einem Software-Stack gedauert, der robust und einfach genug ist, dass die Leute sogar sehr präzise „Musik“ daraus machen können.

Während des Hackathons wurde einer von zwei Ansätzen verfolgt. Während die Musiker unter dem Deltaflow.Control-Team ihre Musik von Grund auf komponierten, schrieben die Informatiker Übersetzer aus Standardmusikformaten in Deltaflow.Control-Steuerskripte. Dies ermöglicht Deltaflow.Control, jede Art von Musik zu spielen, die Sie im Internet finden können. (natürlich nur aus seriösen Quellen!)

Wenn man in einem Quantenlabor arbeitet und seine Qubits besser steuern möchten, wendet man sich an unser Team unter team-riverlane.com. Wie man gesehen hat, kann man dies auch verwenden, um Musik zu machen.

Und wenn man denkt, dass man eine Idee für den QuantumVision Song Competition im nächsten Jahr habe, sendet man diese einfach mit einem Tweetals Vorschlag mit dem Griff „Riverlane“..

 

– kreative Umsetzungsideen:

 

1. Qubit Pulse Ambience

• Soundidee: Sehr kurze Puls-Samples mit extrem sauberem Transientenverlauf, geloopt und in Mikro-Zeitfenstern moduliert.

•  Klanglich: Tickt wie eine atomare Uhr, subtil moduliert durch Rauschanteile oder glitchartige Artefakte (Qubit-Zustandsverfall).

•  Umsetzung: Granularsynthese oder mit Tools wie Ableton Simpler + LFOs/Random-Modulation.

2. Quantum Collapse Pad

•  Soundidee: Ein Pad, das langsam von einem schwebenden Superpositionszustand in einen klaren Ton „kollabiert“.

•  Klanglich: Anfangs spektral offen, unentschieden – am Ende fokussiert wie ein Laser.

•  Umsetzung: z. B. mit Serum/Vital – breite Wavetable-Pads mit Makros, die durch Filter, Unison und Pitch-Randomness langsam fokussieren.

3. Entanglement  (Verschränkungs) -Groove

•  Soundidee: Zwei rhythmische Elemente (z. B. Kick & Percussion), deren Parameter durch gegenseitige Kopplung moduliert werden.

•  Klanglich: Wenn ein Sound sich ändert, reagiert der andere automatisch (wie verschränkte Qubits).

•  Umsetzung: Max for Live, Bitwig Grid, VCV Rack oder MIDI/CC-Crossmodulation.

4. Deltaflow Matrix

•  Soundidee: Ein System aus sich verändernden Steuermodulen – Parameterfluss (Deltaflow) wird hörbar.

•  Klanglich: Ein dynamisches Gewebe aus Pitchshifting, Delay-Zeiten, Hallgrößen – alles hängt zusammen.

• 🛠 Umsetzung: z. B. mit einem Modularsystem oder in Ableton Live mit automatisierten Macros + Modulator Devices (LFO, Shaper, Envelope Follower).

5. Error-Correction Glitch

•  Soundidee: Gezielte Soundstörungen (z. B. Bitcrusher, Stutter), die rhythmisch „korrigiert“ werden – hörbar wie eine reparierende KI.

•  Klanglich: Mischung aus Degradation und „Selbstheilung“.

•  Umsetzung: Automation von FX (z. B. Glitch2, Beat Repeat, Audio Damage Plugins), mit MIDI getriggerten „Restore“-Punkten.

 

Man könnte sogar ein Deltaflow-Soundmodul bauen:

• Eingang: Zufallsdaten oder Live-Sensor (z. B. über Arduino / Ableton / TouchOSC)

• Verarbeitung: Logikmodule, die Datenströme umwandeln (wie Fehlerkorrekturcodes)

• Ausgang: MIDI, Audioeffekte, oder Visuals – ganz im Sinne eines „Quantum Performance Environment“.

 

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