Das Rennen ist in vollem Gange. Die weltweit führenden Unternehmen versuchen, den ersten Quantencomputer zu entwickeln, der auf Technologien basiert, die Wissenschaftlern seit langem versprochen haben, bei der Entwicklung wundersamer neuer Materialien, der perfekten Datenverschlüsselung und der genauen Vorhersage von Änderungen des Erdklimas zu helfen. Eine solche Maschine wird wahrscheinlich nicht früher als in zehn Jahren erscheinen, aber dies hält IBM, Microsoft, Google, Intel und andere nicht auf. Sie setzen buchstäblich Quantenbits - oder Qubits - buchstäblich auf einen Prozessorchip. Der Weg zum Quantencomputer beinhaltet jedoch viel mehr als die Manipulation subatomarer Teilchen.
Ein Qubit kann dank des einzigartigen Quantenphänomens der Überlagerung gleichzeitig 0 und 1 darstellen. Dies ermöglicht Qubits, gleichzeitig eine große Menge an Berechnungen durchzuführen, was die Rechengeschwindigkeit und -kapazität erheblich erhöht. Es gibt jedoch verschiedene Arten von Qubits, und nicht alle sind gleich. In einem programmierbaren Siliziumquantenchip wird beispielsweise der Wert eines Bits (1 oder 0) durch die Drehrichtung seines Elektrons bestimmt. Qubits sind jedoch extrem zerbrechlich und einige benötigen Temperaturen von bis zu 20 Millikelvin - 250-mal kälter als im Weltraum -, um stabil zu bleiben.
Natürlich ist ein Quantencomputer nicht nur ein Prozessor. Diese Systeme der nächsten Generation erfordern neue Algorithmen, neue Software, Verbindungen und eine Reihe von noch zu erfindenden Technologien, die von der enormen Rechenleistung profitieren. Außerdem müssen die Ergebnisse der Berechnungen irgendwo gespeichert werden.
"Wenn es nicht so schwer gewesen wäre, hätten wir bereits einen gemacht", sagt Jim Clark, Direktor für Quantenhardware bei Intel Labs. Auf der diesjährigen CES stellte Intel einen 49-Qubit-Prozessor mit dem Codenamen Tangle Lake vor. Vor einigen Jahren hat das Unternehmen eine virtuelle Umgebung zum Testen von Quantensoftware erstellt. Es verwendet den leistungsstarken Supercomputer Stampede (an der University of Texas), um einen 42-Qubit-Prozessor zu simulieren. Um jedoch wirklich zu verstehen, wie man Software für Quantencomputer schreibt, müssen Hunderte oder sogar Tausende von Qubits simuliert werden, sagt Clarke.
Scientific American interviewte Clarke über die verschiedenen Ansätze zum Aufbau eines Quantencomputers, warum sie so zerbrechlich sind und warum das Ganze so lange dauert. Es wird für Sie interessant sein.
Wie unterscheidet sich Quantencomputing von herkömmlichem Computing?
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Eine übliche Metapher, mit der die beiden Arten von Berechnungen verglichen werden, ist eine Münze. In einem herkömmlichen Computerprozessor ist der Transistor entweder Kopf oder Zahl. Wenn Sie jedoch fragen, auf welche Seite die Münze beim Drehen zeigt, können Sie sagen, dass die Antwort beides sein kann. So funktioniert Quantencomputing. Anstelle der üblichen Bits, die 0 oder 1 darstellen, haben Sie ein Quantenbit, das gleichzeitig 0 und 1 darstellt, bis sich das Qubit nicht mehr dreht und in einen Ruhezustand übergeht.
Der Zustandsraum - oder die Fähigkeit, über eine große Anzahl möglicher Kombinationen zu iterieren - ist im Fall eines Quantencomputers exponentiell. Stellen Sie sich vor, ich habe zwei Münzen in der Hand und wirf sie gleichzeitig in die Luft. Während sie sich drehen, repräsentieren sie vier mögliche Zustände. Wenn ich drei Münzen in die Luft werfe, repräsentieren sie acht mögliche Zustände. Wenn ich fünfzig Münzen in die Luft werfe und Sie frage, wie viele Staaten sie repräsentieren, ist die Antwort eine Zahl, die selbst der leistungsstärkste Supercomputer der Welt nicht berechnen kann. Dreihundert Münzen - immer noch eine relativ kleine Zahl - repräsentieren mehr Zustände als Atome im Universum.
Warum sind Qubits so zerbrechlich?
Die Realität ist, dass Münzen oder Qubits irgendwann aufhören, sich zu drehen und in einen bestimmten Zustand fallen, sei es Kopf oder Zahl. Das Ziel des Quantencomputers ist es, es für eine lange Zeit in einer Reihe von Zuständen in Überlagerung zu halten. Stellen Sie sich vor, eine Münze dreht sich auf meinem Tisch und jemand drückt auf den Tisch. Die Münze kann schneller fallen. Geräusche, Temperaturänderungen, elektrische Schwankungen oder Vibrationen können den Betrieb des Qubits beeinträchtigen und zum Verlust seiner Daten führen. Eine Möglichkeit, bestimmte Arten von Qubits zu stabilisieren, besteht darin, sie kalt zu halten. Unsere Qubits laufen in einem 55-Gallonen-Kühlschrank in Fassgröße und verwenden ein spezielles Heliumisotop, um sie auf nahezu Null zu kühlen.
Wie unterscheiden sich verschiedene Arten von Qubits voneinander?
Es gibt nicht weniger als sechs oder sieben verschiedene Arten von Qubits, und ungefähr drei oder vier von ihnen werden aktiv für die Verwendung in Quantencomputern in Betracht gezogen. Der Unterschied besteht darin, wie man die Qubits manipuliert und sie miteinander kommunizieren lässt. Sie benötigen zwei Qubits, um miteinander zu kommunizieren, um große "verwickelte" Berechnungen durchzuführen, und verschiedene Arten von Qubits werden auf unterschiedliche Weise verwickelt. Der von mir beschriebene Typ, der extreme Kühlung erfordert, wird als supraleitendes System bezeichnet, zu dem unser Tangle Lake-Prozessor und Quantencomputer gehören, die von Google, IBM und anderen gebaut wurden. Andere Ansätze verwenden oszillierende Ladungen eingefangener Ionen, die von Laserstrahlen in einer Vakuumkammer gehalten werden und als Qubits wirken. Intel entwickelt keine Systeme für eingeschlossene Ionen, da es fundierte Kenntnisse über Laser und Optik erfordert.wir können es nicht tun
Wir untersuchen jedoch einen dritten Typ, den wir Silizium-Spin-Qubits nennen. Sie sehen genauso aus wie herkömmliche Siliziumtransistoren, arbeiten jedoch mit einem einzelnen Elektron. Spin-Qubits verwenden Mikrowellenimpulse, um den Spin eines Elektrons zu steuern und seine Quantenkraft freizusetzen. Diese Technologie ist heute weniger ausgereift als die supraleitende Qubit-Technologie, aber es ist wahrscheinlich viel wahrscheinlicher, dass sie skaliert und kommerziell erfolgreich wird.
Wie komme ich von hier zu diesem Punkt?
Der erste Schritt besteht darin, diese Quantenchips herzustellen. Gleichzeitig haben wir Simulationen auf einem Supercomputer durchgeführt. Um Intels Quantensimulator zu betreiben, sind ungefähr fünf Billionen Transistoren erforderlich, um 42 Qubits zu simulieren. Es dauert eine Million Qubits oder mehr, um die kommerzielle Reichweite zu erreichen. Wenn Sie jedoch mit einem solchen Simulator beginnen, können Sie die grundlegende Architektur, Compiler und Algorithmen erstellen. Bis wir physische Systeme haben, die einige hundert bis tausend Qubits enthalten, ist nicht klar, welche Art von Software wir auf ihnen ausführen können. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Größe eines solchen Systems zu erhöhen: Eine besteht darin, mehr Qubits hinzuzufügen, was mehr physischen Speicherplatz erfordert. Das Problem ist, dass wenn unser Ziel darin besteht, Computer mit einer Million Qubits zu bauen, die Mathematik es ihnen nicht erlaubt, gut zu skalieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Innenabmessungen der integrierten Schaltung zu komprimieren. Dieser Ansatz würde jedoch ein supraleitendes System erfordern, das sehr groß sein muss. Spin-Qubits sind millionenfach kleiner, daher suchen wir nach anderen Lösungen.
Darüber hinaus möchten wir die Qualität der Qubits verbessern, um Algorithmen zu testen und unser System aufzubauen. Qualität bezieht sich auf die Genauigkeit, mit der Informationen im Laufe der Zeit übermittelt werden. Während viele Teile eines solchen Systems die Qualität verbessern werden, werden die größten Fortschritte in der Entwicklung neuer Materialien und der Verbesserung der Genauigkeit von Mikrowellenimpulsen und anderer Steuerelektronik erzielt.
Kürzlich hat der US-Unterausschuss für digitalen Handel und Verbraucherschutz eine Anhörung zum Thema Quantencomputer abgehalten. Was möchte der Gesetzgeber über diese Technologie wissen?
Es gibt mehrere Anhörungen, die mit verschiedenen Ausschüssen verbunden sind. Wenn wir Quantencomputer verwenden, können wir sagen, dass dies Computertechnologien für die nächsten 100 Jahre sind. Es ist nur natürlich, dass die USA und andere Regierungen an ihrer Chance interessiert sind. Die Europäische Union hat einen Milliardenplan zur Finanzierung der Quantenforschung in ganz Europa. China kündigte im vergangenen Herbst eine Forschungsbasis von 10 Milliarden US-Dollar an, die sich auf die Quanteninformatik konzentrieren wird. Die Frage ist, was können wir als Land auf nationaler Ebene tun? Eine nationale Strategie für Quantencomputer sollte von Universitäten, Regierung und Industrie entwickelt werden, die gemeinsam an verschiedenen Aspekten der Technologie arbeiten. Standards sind definitiv in Bezug auf Kommunikation oder Softwarearchitektur notwendig. Arbeit ist auch ein Problem. Wenn ich jetzt eine Stelle für einen Quantencomputer-Experten eröffne, sind wahrscheinlich zwei Drittel der Bewerber außerhalb der USA.
Welchen Einfluss kann Quantencomputer auf die Entwicklung künstlicher Intelligenz haben?
Typischerweise konzentrieren sich die ersten vorgeschlagenen Quantenalgorithmen auf Sicherheit (z. B. kryptografisch) oder Chemie und Materialmodellierung. Dies sind Probleme, die für herkömmliche Computer grundsätzlich unlösbar sind. Es gibt jedoch Unmengen von Startups und Gruppen von Wissenschaftlern, die mit der Einführung von Quantencomputern, auch theoretischen, an maschinellem Lernen und KI arbeiten. Angesichts des für die AI-Entwicklung erforderlichen Zeitrahmens würde ich traditionelle Chips erwarten, die speziell für AI-Algorithmen optimiert wurden, was sich wiederum auf die Entwicklung von Quantenchips auswirken wird. In jedem Fall wird die KI durch Quantencomputer definitiv einen Schub bekommen.
Wann werden funktionierende Quantencomputer Probleme der realen Welt lösen?
Der erste Transistor wurde 1947 hergestellt. Die erste integrierte Schaltung war im Jahr 1958. Intels erster Mikroprozessor, der etwa 2.500 Transistoren enthielt, kam erst 1971 heraus. Jeder dieser Meilensteine wurde um mehr als ein Jahrzehnt voneinander getrennt. Die Leute denken, dass Quantencomputer gleich um die Ecke sind, aber die Geschichte zeigt, dass Fortschritte Zeit brauchen. Wenn wir in 10 Jahren einen Quantencomputer mit einigen tausend Qubits haben, wird dies definitiv die Welt verändern, genau wie der erste Mikroprozessor.
Ilya Khel