Was ist ein Quantencomputer und woraus besteht er? Nicht alle Computer haben Anspruch auf einen solchen Namen. Warum dies so ist und warum solche Installationen benötigt werden, erklärt Christopher Monroe, Professor an der University of Maryland und einer der führenden Akteure im globalen "Quantenrennen".
Das russische Quantenzentrum veranstaltet regelmäßig große internationale Konferenzen in Moskau, die sich mit der Entwicklung von Quantentechnologien und ihrer praktischen Anwendung befassen. An seiner Arbeit beteiligen sich nicht nur führende Forscher, sondern auch Vertreter großer russischer und ausländischer Wirtschafts- und Regierungsbeamter.
In diesem Jahr nahmen an der Konferenz die Leiter von drei wissenschaftlichen Teams teil, die bei der Entwicklung komplexer Quantencomputersysteme führend waren. Neben Mikhail Lukin, Professor an der Harvard University (USA), der auf der vorherigen Konferenz erstmals die Schaffung eines rekordverdächtigen 51-Qubit-Computers angekündigt hatte, nahmen die Professoren Christopher Monroe und Harmut Neven daran teil.
Monroe, der heute an der University of Maryland (USA) arbeitet, schuf eine Maschine mit ähnlicher Leistung fast gleichzeitig mit seinem russisch-amerikanischen Amtskollegen nach ähnlichen, aber leicht unterschiedlichen Prinzipien.
Er sprach über die Richtung, in die sich dieses System entwickelt, wie es sich von "Konkurrenten" unterscheidet und wo die Grenze zwischen realen Quantencomputern liegt, die diesem Begriff vollständig entsprechen, und Computersystemen, die auf der Grundlage klassischer Prinzipien aufgebaut sind.
Quantenüberlegenheit
Quantencomputer sind spezielle Computergeräte, deren Leistung aufgrund der Anwendung der Gesetze der Quantenmechanik in ihrer Arbeit exponentiell zunimmt. Alle diese Geräte bestehen aus Qubits - Speicherzellen und gleichzeitig primitiven Computermodulen, die einen Wertebereich zwischen Null und Eins speichern können.
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Heute gibt es zwei Hauptansätze für die Entwicklung solcher Geräte - klassische und adiabatische. Befürworter des ersten von ihnen versuchen, einen universellen Quantencomputer zu schaffen, in dem Qubits den Regeln gehorchen, nach denen gewöhnliche digitale Geräte arbeiten. Die Arbeit mit einem solchen Computer würde sich im Idealfall nicht wesentlich von der Bedienung herkömmlicher Computer durch Ingenieure und Programmierer unterscheiden.
Ein adiabatischer Computer ist einfacher zu erstellen, aber in seinen Funktionsprinzipien näher am Hinzufügen von Maschinen, Rechenschiebern und analogen Computern des frühen 20. Jahrhunderts und nicht an digitalen Geräten unserer Zeit. Es gibt auch hybride Ansätze, die die Merkmale beider Maschinen kombinieren. Unter ihnen kann laut Monroe der Computer von Mikhail Lukin zugeschrieben werden.
Laut Monroe liegt dies daran, dass die Speicherzellen in seiner Maschine auf der Basis von Ionen des Seltenerdmetalls Ytterbium aufgebaut sind, dessen Zustand sich bei Manipulation mit Laserstrahlen nicht ändert. Lukins Quantencomputer wiederum basiert auf den sogenannten Rydberg-Atomen, die vor solchen Einflüssen nicht geschützt sind.
Es handelt sich um Atome von Rubidium-87 oder anderen Alkalimetallen, deren freies Elektron mit speziellen Laser- oder Radiowellenimpulsen eine große Entfernung vom Kern "gedrückt" wurde. Aus diesem Grund nimmt die Größe des Atoms um etwa eine Million Mal zu, was es in ein Qubit verwandelt. Wie Monroe erklärte, ist es jedoch nicht möglich, es zu bewegen, ohne diese Struktur zu deformieren und Quantenzustände zu zerstören.
Das Fehlen solcher Probleme in Ionen, so der amerikanische Physiker, ermöglichte es seinem Team, keinen Hybrid, sondern einen vollständig kontrollierten Quantencomputer zu entwickeln, dessen Qubits-Wissenschaftler im Verlauf des Rechnens direkt manipulieren können.
Zum Beispiel gaben Monroe und sein Team vor drei Jahren, lange vor der Schaffung größerer Maschinen, bekannt, dass es ihnen gelungen war, den ersten umprogrammierbaren Quantencomputer zu schaffen, der aus fünf Speicherzellen bestand. Diese bescheidene Maschine ermöglichte es den Physikern dank ihrer hohen Flexibilität, mehrere Quantenprogramme gleichzeitig auszuführen.
Insbesondere gelang es ihnen, die Algorithmen Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani auf diesem Mini-Computer auszuführen und eine Quantenversion der Fourier-Transformationen zu erstellen, dem Eckpfeiler der Kryptographie und ihrer Zerstörung.
Diese Erfolge sowie die Schwierigkeiten, eine große Anzahl von Ionen in Fallen zu halten, veranlassten ihn zu der Annahme, dass Quantencomputersysteme eher modular als monolithisch aufgebaut sein sollten. Mit anderen Worten, "ernsthafte" Quantencomputer stellen kein einziges Ganzes dar, sondern eine Art Netzwerk, das aus vielen ähnlichen und ziemlich einfachen Modulen besteht.
Unvollkommenes Vakuum
Solche Systeme existieren, wie der amerikanische Professor feststellt, bereits, werden jedoch aus einem einfachen Grund noch nicht in Prototypen von Quantencomputern verwendet - sie arbeiten etwa hundertmal langsamer als die Qubits selbst. Dennoch glaubt er, dass dieses Problem vollständig lösbar ist, da es eher technischer als wissenschaftlicher Natur ist.
Ein weiteres potenzielles Problem, das den Betrieb von monolithischen oder nur großen Quantencomputern stören wird, besteht darin, dass das Vakuum, wie Monroe es ausdrückte, nicht perfekt ist. Es enthält immer eine kleine Anzahl von Molekülen, von denen jedes mit atomaren Qubits kollidieren und deren Arbeit beeinträchtigen kann.
Die einzige Möglichkeit, dies zu überwinden, besteht darin, den Quantencomputer weiter zu kühlen, so nahe wie möglich am absoluten Nullpunkt. Monroes Team ist noch nicht damit beschäftigt, da die Anzahl der Qubits in ihrer Maschine gering ist, aber in Zukunft muss dieses Problem definitiv gelöst werden.
Der vom amerikanischen Professor vorgeschlagene modulare Ansatz wird ein weiterer Weg sein, um dieses Problem zu lösen, da der Computer in viele unabhängige Teile zerlegt werden kann, die eine relativ geringe Anzahl von Qubits enthalten. Theoretisch läuft es nicht so schnell wie eine monolithische Maschine, umgeht jedoch das Problem des "unvollständigen Vakuums", da die Module leichter zu kühlen und zu steuern sind.
Wann wird diese Zeit kommen? Wie Monroe vorschlägt, werden in den nächsten drei bis fünf Jahren Maschinen mit mehreren hundert Qubits hergestellt. Sie können mehrere Zehntausende von Vorgängen ausführen und erfordern keine extremen Kühl- oder Fehlerkorrektursysteme.
Solche Maschinen werden in der Lage sein, viele komplexe praktische Probleme zu lösen, aber sie werden keine vollwertigen Computer im klassischen Sinne des Wortes sein. Dazu müssen Sie die Anzahl der Qubits erhöhen und ihnen „beibringen“, Fehler in ihrer Arbeit unabhängig zu korrigieren. Dies wird nach Angaben des Physikers weitere fünf Jahre dauern.
Letzte Strecke des Rennens
Die ersten komplexen Quantencomputer werden laut Monroe auf der Basis ionischer oder atomarer Technologien gebaut, da alle anderen Versionen von Qubits, einschließlich vielversprechender Halbleiterspeicherzellen, noch keinen ähnlichen Entwicklungsstand erreicht haben.
„Bisher sind dies alles Universitätslaborexperimente. Diese Qubits können nicht zum Erstellen vollständiger Logikgatter verwendet werden. Daher stimme ich Mikhail zu, dass unsere Kollegen aus Australien, Intel und anderen Teams viele praktische Probleme lösen müssen, bevor sie ein vollwertiges Computersystem entwickeln können “, bemerkt der Physiker.
Wie kann man den Gewinner dieses "Quantenrennens" ermitteln? Vor zwei Jahren versuchten Monroe und seine Kollegen, diese Frage zu beantworten, indem sie die ersten Vergleichstests von Quantencomputern organisierten. Sie wählten einen IBM-Quantencomputer, der auf supraleitenden Qubits basiert, als Konkurrent für die erste Version ihrer Maschine.
Um sie zu vergleichen, haben Physiker und Programmierer der University of Maryland den ersten Satz von "Quantenbenchmarks" vorbereitet - einfache Algorithmen, die sowohl die Genauigkeit als auch die Geschwindigkeit dieser Computer messen. Der Test ergab keinen direkten Gewinner - der Computer von Monroe und seinem Team gewann genau, verlor jedoch an Geschwindigkeit für die IBM-Maschine.
Gleichzeitig glaubt Monroe, dass die sogenannte Quantenüberlegenheit - die Schaffung eines Quantencomputers, dessen Verhalten nicht mit anderen Methoden berechnet werden kann - keine ernsthafte wissenschaftliche oder praktische Errungenschaft sein wird.
„Das Problem liegt im Konzept selbst. Einerseits haben unsere Experimente mit fünf Dutzend Qubits, wie Mikhails Experimente, dazu beigetragen, die Dinge zu berechnen, die sonst nicht berechnet werden können. Andererseits kann dies nicht als Überlegenheit bezeichnet werden, da wir nicht beweisen können, dass es wirklich nicht auf andere Weise berechnet werden kann. Die Quantenüberlegenheit wird früher oder später auftreten, aber ich persönlich werde sie nicht verfolgen “, betonte der Wissenschaftler.
Eine weitere Schwierigkeit liegt in der Tatsache, dass wir noch nicht sicher sagen können, welche Probleme Quantencomputer lösen können und wo ihre Anwendung am gerechtfertigtsten und nützlichsten ist. Dazu ist es notwendig, dass sowohl das wissenschaftliche Umfeld als auch die gesamte Gesellschaft solche Maschinen als erschwingliches und universelles Werkzeug wahrnehmen.
Quantengeheimnisse des Universums
Aus diesem Grund glaubt der amerikanische Professor nicht, dass adiabatische Computersysteme wie die D-Wave-Geräte als Quantencomputer bezeichnet werden können. Ihre Arbeit basiert nach Ansicht des Physikers auf völlig klassischen physikalischen Prinzipien, die nichts mit realer Quantenmechanik zu tun haben.
„Trotzdem sind analoge Computer wie diese aus praktischer Sicht äußerst interessant. Sie können einfach ein paar Magnete nehmen, sie an einem Dreiecksnetz befestigen und ihr Verhalten verfolgen. Diese Experimente werden nichts mit Quantenphysik zu tun haben, aber sie werden einige komplexe Optimierungsberechnungen ermöglichen. Investoren interessieren sich für sie, was bedeutet, dass dies nicht umsonst geschieht “, fährt der Professor fort.
Welche Aufgaben kann ein "echter" Quantencomputer lösen? Wie Monroe feststellte, haben in den letzten Jahren viele andere Physiker-Teams sein Team kontaktiert. Sie planen, mit ihrer Maschine viele wichtige wissenschaftliche Probleme zu lösen, die auf einem herkömmlichen Computer nicht berechnet werden können.
Bisher können dieselben Experimente, wie der Physiker zugab, auf gewöhnlichen Supercomputern durchgeführt werden. Andererseits wird in den kommenden Jahren die Anzahl der Qubits in Quantenmaschinen erheblich zunehmen, was ihre Arbeit unzählig machen wird.
Dies wird ihre Anwendbarkeit erweitern und solche Experimente zu einer der interessantesten und einzigartigsten Methoden machen, um die größten und mysteriösesten Objekte im Universum zu untersuchen und viele alltägliche Aufgaben zu lösen, wie das Finden von Routen oder das Verwalten der Wirtschaft, so der Forscher.
