Nach Jahrzehnten harter Arbeit ohne große Hoffnung auf Erfolg entwickelte sich plötzlich eine hektische Aktivität rund um das Quantencomputing. Vor fast zwei Jahren zeigte IBM der Welt einen Quantencomputer mit fünf Quantenbits (Qubits), den sie jetzt (was etwas seltsam klingt) als IBM Q Experience bezeichnen. Damals war das Gerät eher ein Spielzeug für Forscher als ein Werkzeug für ernsthafte Datenverarbeitung. 70.000 Benutzer auf der ganzen Welt haben sich jedoch für das Projekt registriert, und inzwischen hat sich die Anzahl der Qubits vervierfacht. Vor einigen Monaten kündigten IBM und Intel die Schaffung von Quantencomputern mit 50 und 49 Qubits an. Es ist auch bekannt, dass ein anderer Computer in den Flügeln innerhalb der Mauern von Google wartet. "Die Community ist voller Energie und die jüngsten Durchbrüche sind erstaunlich."- sagt der Physiker Jens Eisert von der Freien Universität Berlin.
Derzeit ist von einer bevorstehenden "Quantenüberlegenheit" die Rede: Die Zeit, in der ein Quantencomputer eine Aufgabe ausführen kann, die selbst die Leistung der leistungsstärksten klassischen Supercomputer übersteigt. Wenn wir nur Zahlen vergleichen, mag eine solche Aussage lächerlich erscheinen: 50 Qubits gegenüber Milliarden klassischer Bits in jedem Laptop. Der springende Punkt beim Quantencomputing ist jedoch, dass das Quantenbit viel mehr kann als das klassische. Lange Zeit glaubte man, dass 50 Qubits ausreichen würden, um Berechnungen durchzuführen, die ein herkömmlicher Computer auf unbestimmte Zeit durchführen würde. Mitte 2017 kündigten Forscher bei Google an, dass sie bis Dezember die Quantenüberlegenheit demonstrieren werden. (Auf eine kürzlich erfolgte Anfrage nach neuen Daten antwortete ein Unternehmenssprecher: „Wir werden die Ergebnisse bekannt gebensobald sie hinreichend begründet sind, wird jedoch vorerst eine gründliche Analyse der bestehenden Entwicklungen durchgeführt. ")
Ich möchte zu dem Schluss kommen, dass alle Hauptprobleme gelöst werden können und die Zukunft, in der Quantencomputer ein allgegenwärtiges Phänomen sind, nur eine Frage der technischen Ausrüstung ist. Aber er wird sich irren. Die physikalischen Probleme im Herzen des Quantencomputers sind noch lange nicht gelöst.
Selbst wenn wir bald in eine Ära der Quantenüberlegenheit eintreten, könnten die nächsten ein oder zwei Jahre entscheidend sein - werden Quantencomputer die Art und Weise, wie wir rechnen, wirklich vollständig verändern? Es steht immer noch viel auf dem Spiel und es gibt keine Garantie dafür, dass das Ziel erreicht wird.
Halt die Klappe und berechne
Sowohl die Vorteile als auch die Herausforderungen des Quantencomputers liegen in der Physik, die dies ermöglicht. Die Grundlagen wurden bereits mehr als einmal gesagt, obwohl nicht immer geklärt wurde, was die Quantenmechanik erfordert. Klassische Computer speichern Informationen und verarbeiten sie im Binärcode (0 oder 1). In Quantencomputern ist die Situation fast dieselbe, nur jedes Bit befindet sich in der sogenannten Überlagerung, dh es kann gleichzeitig 0 und 1 sein. Dies bedeutet, dass der Zustand eines Qubits nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit bestimmt werden kann.
Um eine Berechnung mit einer großen Anzahl von Qubits durchzuführen, müssen sich alle in voneinander abhängigen Überlagerungen befinden - in einem Zustand der "Quantenkohärenz", in dem alle Qubits als verwickelt betrachtet werden. In diesem Fall kann die geringste Änderung in einem Qubit alle anderen betreffen. Das heißt, Rechenoperationen unter Verwendung von Qubits haben eine höhere Leistung als die Verwendung klassischer Bits. In einem klassischen Gerät hängen die Rechenfähigkeiten einfach von der Anzahl der Bits ab, aber das Hinzufügen jedes neuen Qubits erhöht die Fähigkeiten eines Quantencomputers um das Zweifache. Aus diesem Grund ist der Unterschied zwischen einem 5-Qubit-Gerät und einem 50-Qubit-Gerät so bedeutend.
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Beachten Sie, dass ich nicht wie so oft gesagt habe, dass der Vorteil eines Quantencomputers gegenüber einem klassischen in der Existenz von Überlagerungen liegt, die die Anzahl möglicher Zustände codierter Informationen erheblich erhöhen. Wie ich nicht sagte, ermöglicht die Verschränkung, dass viele Berechnungen gleichzeitig durchgeführt werden. (Tatsächlich ist ein hohes Maß an Verschränkung von Qubits keine Voraussetzung.) Dies ist zwar wahr, aber keine der Aussagen beschreibt das Wesen der Quantenberechnung.
Aufgrund der Komplexität des Verständnisses der Quantenmechanik ist es eine entmutigende Aufgabe, zu erklären, warum die Quantenberechnung so leistungsfähig ist. Die Gleichungen der Quantentheorie zeigen definitiv, dass es funktionieren wird - zumindest bei einigen Arten von Berechnungen: Das Faktorisieren oder Durchsuchen einer Datenbank beschleunigt den Prozess enorm. Aber wie viel genau?
Die sicherste Art, Quantencomputer zu beschreiben, besteht darin, zu sagen, dass die Quantenmechanik auf irgendeine Weise "Berechnungsmöglichkeiten" schafft, die in klassischen Geräten nicht verfügbar sind. Der Physiker Daniel Gottesman vom Perimeter Institute for Theoretical Physics (Perimeter Institute) in Waterloo bemerkte: "Wenn genügend Quantenmechanik verfügbar ist, beschleunigt sich der Prozess gewissermaßen, und wenn nicht, beschleunigt er sich nicht."
Obwohl einige Punkte noch klar sind. Quantum Computing erfordert, dass alle Qubits kohärent sind, was äußerst schwierig zu implementieren ist. Die Interaktion des Systems kohärenter Qubits mit der Umgebung schafft Kanäle, durch die Kohärenz schnell "leckt". Dieser Vorgang wird als Dekohärenz bezeichnet. Wissenschaftler, die einen Quantencomputer bauen wollen, müssen Dekohärenz verhindern. Jetzt schaffen sie es nur noch, sie für den Bruchteil einer Sekunde aufzuhalten. Die Situation wird komplizierter, wenn die Anzahl der Qubits und dementsprechend die Fähigkeit zur Interaktion mit der Umgebung zunimmt. Obwohl die Idee der Quantencomputer bereits 1982 von Richard Feynman vorgeschlagen und die Theorie Anfang der neunziger Jahre entwickelt wurde, wurden deshalb erst jetzt Geräte entwickelt, die echte Berechnungen durchführen können.
Quantenfehler
Es gibt einen zweiten Hauptgrund, warum der Bau eines Quantencomputers so schwierig ist. Wie jeder andere Prozess auf der Welt macht es Lärm. Zufällige Schwankungen, die beispielsweise aufgrund der Temperatur der Qubits oder aufgrund der Besonderheiten grundlegender quantenmechanischer Prozesse auftreten, können die Richtung oder den Zustand des Qubits ändern, was zu ungenauen Berechnungen führt. Eine solche Bedrohung besteht bei der Arbeit mit klassischen Computern, ist jedoch recht einfach zu lösen. Sie müssen nur zwei oder mehr Sicherungen für jedes Bit erstellen, damit ein versehentlich umgedrehtes Bit nicht gezählt wird.
Wissenschaftler, die an der Schaffung eines Quantencomputers arbeiten, haben verschiedene Möglichkeiten entwickelt, um das Problem zu lösen. Alle Strategien führen jedoch zu vielen zusätzlichen Rechenkosten, da die gesamte Rechenleistung für die Korrektur von Fehlern und nicht für die Ausführung der angegebenen Algorithmen aufgewendet wird. „Die aktuelle Fehlerrate begrenzt die Zeit, die eine Berechnung dauern kann, erheblich“, erklärt Andrew Childs, Co-Direktor des Gemeinsamen Zentrums für Quanteninformations- und Computerwissenschaften an der University of Maryland. "Wir müssen die Ergebnisse deutlich verbessern, wenn wir etwas Interessantes schaffen wollen."
Viel Forschung im Bereich des grundlegenden Quantencomputers konzentriert sich auf Fehlerkorrekturtechniken. Ein Teil der Komplexität des Problems ergibt sich aus einer anderen Schlüsseleigenschaft von Quantensystemen: Überlagerungen können nur beibehalten werden, solange Sie den Wert eines Qubits nicht messen. Die Messung zerstört die Überlagerung und führt zu einem bestimmten Wert: 1 oder 0. Wie können Sie feststellen, ob beim Betrieb eines Qubits ein Fehler aufgetreten ist, wenn Sie nicht wissen, in welchem Zustand es sich befand?
Ein cleveres Schema schlägt vor, indirekte Berechnungen zu verwenden, indem ein Qubit mit einem zweiten Hilfs-Qubit kombiniert wird. Letzteres ist nicht an der Berechnung beteiligt, so dass seine Messung den Zustand des Haupt-Qubits nicht beeinflusst. Aber es ist ziemlich schwierig, es umzusetzen. Diese Lösung bedeutet, dass viele physische Qubits benötigt werden, um ein echtes "logisches Qubit" zu erstellen, das gegen Fehler immun ist.
Wie viele? Der Quantentheoretiker Alan Aspuru-Guzik von der Harvard University glaubt, dass etwa zehntausend physikalische Qubits erforderlich sind, um ein logisches Qubit zu erstellen, was derzeit nicht möglich ist. Ihm zufolge, wenn alles gut geht, wird diese Zahl auf mehrere tausend oder sogar Hunderte sinken. Aisert ist nicht so pessimistisch und glaubt, dass ungefähr achthundert physische Qubits ausreichen werden, räumt jedoch ein, dass selbst in dieser Situation "die zusätzlichen Kosten für Rechenleistung immer noch hoch sein werden". Sie müssen einen Weg finden, um mit Fehlern umzugehen.
Es gibt eine Alternative zur Fehlerbehebung. Sie können vermieden oder daran gehindert werden, bei der sogenannten Fehlerminderung aufzutreten. Forscher von IBM entwerfen Schaltkreise, um die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers mathematisch zu berechnen und das Ergebnis dann als rauschfrei zu betrachten.
Einige Forscher glauben, dass das Problem der Fehlerkorrektur ungelöst bleibt und verhindert, dass Quantencomputer ihre vorhergesagten Höhen erreichen. „Das Erstellen von Quantenfehlerkorrekturcodes ist viel schwieriger als der Nachweis der Quantenüberlegenheit“, erklärt der Mathematiker Gil Kalai von der Hebrew University in Israel. Er fügt hinzu, dass "fehlerfreie Korrekturgeräte in ihren Berechnungen sehr primitiv sind und Überlegenheit nicht auf Primitivität beruhen kann". Mit anderen Worten, Quantencomputer übertreffen klassische Computer nicht, wenn Fehler nicht beseitigt werden.
Andere Wissenschaftler glauben, dass das Problem irgendwann gelöst sein wird. Einer von ihnen ist Jay Gambetta, ein Quantencomputerwissenschaftler am IBM Center for Quantum Computing. Thomas J. Watson. „Unsere jüngsten Experimente haben die Grundelemente der Fehlerkorrektur in kleinen Geräten aufgezeigt, was wiederum den Weg für größere Geräte ebnet, die Quanteninformationen über längere Zeiträume in Gegenwart von Rauschen zuverlässig speichern können“, sagt er. Gambetta räumt jedoch auch ein, dass "auch nach dem gegenwärtigen Stand der Dinge noch ein langer Weg zur Schaffung eines universellen, fehlerresistenten Quantencomputers mit logischen Qubits vor uns liegt". Dank dieser Forschung ist Childs optimistisch. „Ich bin sicher, wir werden eine Demonstration noch erfolgreicherer [Fehlerbehebungs-] Experimente sehen, aber,Es wird wahrscheinlich lange dauern, bis wir Quantencomputer für echte Computer einsetzen. “
Mit Fehlern leben
In naher Zukunft werden Quantencomputer nicht mehr funktionieren. Es stellt sich die Frage: Wie soll man damit leben? IBM-Wissenschaftler sagen, dass sich das Gebiet der "Approximate Quantum Computing" -Forschung auf absehbare Zeit darauf konzentrieren wird, Wege zur Anpassung an Rauschen zu finden.
Dies erfordert die Erstellung solcher Algorithmen, die das richtige Ergebnis liefern und Fehler ignorieren. Der Prozess kann mit der Zählung der Wahlergebnisse verglichen werden, bei der verdorbene Stimmzettel nicht berücksichtigt werden. "Selbst wenn es einige Fehler macht, sollte eine ausreichend große Quantenberechnung mit hoher Qualität effizienter sein als [klassisch]", sagt Gambetta.
Eine der neueren fehlertoleranten Anwendungen der Technologie scheint für Wissenschaftler von größerem Wert zu sein als für die ganze Welt: die Modellierung von Materialien auf atomarer Ebene. (Tatsächlich war dies die Motivation, die Feynman dazu brachte, auf die Idee von Quantencomputern zu kommen.) Die Gleichungen der Quantenmechanik beschreiben, wie Stabilität oder chemische Reaktivität berechnet werden (zum Beispiel in Wirkstoffmolekülen). Diese Gleichungen können jedoch nicht ohne viele Vereinfachungen gelöst werden.
Laut Childs ist das Quantenverhalten von Elektronen und Atomen jedoch "dem natürlichen Verhalten eines Quantencomputers relativ nahe". Dies bedeutet, dass ein genaues Computermodell des Moleküls erstellt werden könnte. „Viele Mitglieder der wissenschaftlichen Gemeinschaft, einschließlich meiner selbst, glauben, dass die erste erfolgreiche Anwendung eines Quantencomputers mit der Quantenchemie und den Materialwissenschaften verbunden sein wird“, sagt Aspuru-Guzik: Er war einer der ersten, der damit begann, Quantencomputer in diese Richtung zu treiben.
Die Quantenmodellierung erweist sich selbst auf den kleinsten Quantencomputern, die uns heute zur Verfügung stehen, als nützlich. Ein Forscherteam, zu dem auch Aspuru-Guzik gehört, entwickelte einen Algorithmus, den sie als "Variationsmethode zur Lösung von Problemen in der Quantenmechanik" (im Folgenden: VMR) bezeichneten. Mit diesem Algorithmus können Sie den Zustand mit dem geringsten Energieverbrauch eines Moleküls finden, selbst bei verrauschten Qubits. Im Moment kann es nur sehr kleine Moleküle mit wenigen Elektronen handhaben. Klassische Computer erledigen diese Aufgabe gut. Aber die Kraft des Quanten wächst ständig, wie Gambetta und Kollegen im vergangenen September zeigten, als sie mit einem Sechs-Kbit-Gerät die elektronische Struktur von Molekülen wie Lithiumhydrid und Berylliumhydrid berechneten. Die Arbeit war "ein bedeutender Durchbruch für die Quantenwissenschaften"wie es der Chemiephysiker Markus Reicher von der Schweizerischen Hochschule Zürich ausdrückte. „Die Verwendung von BMP zur Modellierung kleiner Moleküle ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie kurzfristige heuristische Algorithmen angewendet werden können“, sagt Gambetta.
Laut Aspuru-Guzik werden jedoch logische Qubits erforderlich sein, die Fehler korrigieren können, noch bevor Quantencomputer die klassischen überholen. "Ich kann es kaum erwarten, bis fehlerkorrigierendes Quantencomputing Realität wird", kommentierte er.
"Wenn wir mehr als zweihundert Qubits hätten, könnten wir wirklich innovative Dinge tun", fügte Reicher hinzu. "Und mit 5.000 Qubits könnte ein Quantencomputer einen großen Einfluss auf die Wissenschaft haben."
Was ist dein Volumen?
Diese Ziele sind unglaublich schwer zu erreichen. Trotz aller Schwierigkeiten, Quantencomputer von fünf Qubit auf 50 Bit in nur einem Jahr - diese Tatsache gibt Hoffnung. Lassen Sie sich jedoch nicht zu sehr auf diese Zahlen ein, denn sie erzählen nur einen kleinen Teil der Geschichte. Nun ist es nicht wichtiger, wie viele Qubits Sie haben, sondern wie gut sie funktionieren und wie effizient die von Ihnen entwickelten Algorithmen sind.
Jede Quantenberechnung endet mit einer Dekohärenz, die die Qubits mischt. Typischerweise beträgt die Dekohärenzzeit für eine Gruppe von Qubits mehrere Mikrosekunden. Die Anzahl der logischen Operationen, die in so kurzer Zeit ausgeführt werden können, hängt von der Schaltgeschwindigkeit des Quantengatters ab. Wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist, spielt es keine Rolle, wie viele Qubits Ihnen zur Verfügung stehen. Die Anzahl der für eine bestimmte Berechnung erforderlichen Operationen wird als Berechnungstiefe bezeichnet: Algorithmen mit geringer Tiefe sind effizienter als Algorithmen mit hoher Tiefe. Es ist jedoch nicht sicher bekannt, ob sie für Berechnungen nützlich sind.
Darüber hinaus sind nicht alle Qubits gleich laut. Es ist theoretisch möglich, rauscharme Qubits aus Materialien zu erzeugen, die sich in einem sogenannten "topologischen elektronischen Zustand" befinden: Wenn Partikel in diesem Zustand zur Codierung von binären Informationen verwendet werden, werden sie vor zufälligem Rauschen geschützt. Um Partikel in einem topologischen Zustand zu finden, untersuchen Forscher bei Microsoft hauptsächlich exotische Quantenmaterialien. Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass ihre Forschung erfolgreich sein wird.
Um die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers auf einem bestimmten Gerät zu kennzeichnen, haben Forscher von IBM den Begriff "Quantenvolumen" geprägt. Dies ist eine Zahl, die alle wichtigen Faktoren vereint: die Tiefe des Algorithmus, die Anzahl und Konnektivität von Qubits sowie andere Indikatoren für die Qualität von Quantentoren (z. B. Rauschen). Im Allgemeinen kennzeichnet dieses "Quantenvolumen" die Leistung des Quantencomputers. Laut Gambetta ist es nun notwendig, Quantencomputer zu entwickeln, die das verfügbare Quantenvolumen erhöhen.
Dies ist einer der Gründe, warum die gepriesene Quantenüberlegenheit eine ziemlich vage Idee ist. Die Idee, dass ein 50-Qubit-Quantencomputer moderne Supercomputer übertreffen wird, klingt attraktiv, aber es bleiben noch viele ungelöste Fragen offen. Bei welchen spezifischen Aufgaben übertrifft ein Quantencomputer Supercomputer? Wie kann man feststellen, ob ein Quantencomputer die richtige Antwort erhalten hat, wenn er mit einem klassischen Gerät nicht verifiziert werden kann? Was ist, wenn ein klassischer Computer effizienter ist als ein Quantencomputer, wenn ein besserer Algorithmus gefunden wird?
Quantenüberlegenheit ist daher ein Konzept, das Vorsicht erfordert. Einige Forscher sprechen lieber über den "Quantenvorteil", über einen Sprung in der Entwicklung von Quantentechnologien als über den endgültigen Sieg von Quantencomputern gegenüber gewöhnlichen. Darüber hinaus versucht die Mehrheit, das Wort "Überlegenheit" nicht zu verwenden, da es negative politische und rassistische Konnotationen enthält.
Unabhängig vom Namen wird dies ein äußerst wichtiger psychologischer Moment für dieses Gebiet sein, wenn Wissenschaftler nachweisen können, dass Quantencomputer Aufgaben ausführen können, die klassische Geräte nicht ausführen können. „Der Nachweis eines unbestreitbaren Quantenvorteils wird in die Geschichte eingehen. Dies wird beweisen, dass Quantencomputer unsere technologischen Fähigkeiten wirklich erweitern können “, sagt Aizert.
Vielleicht ist dies eher ein symbolisches Ereignis als eine radikale Veränderung im Bereich der Datenverarbeitung. Trotzdem lohnt es sich, darauf zu achten. Wenn Quantencomputer herkömmliche Computer übertreffen, liegt dies nicht daran, dass IBM und Google sie plötzlich auf den Markt bringen. Um die Quantenüberlegenheit zu erreichen, müssen Sie ein komplexes Interaktionssystem zwischen Entwicklern und Benutzern einrichten. Und letztere müssen fest davon überzeugt sein, dass die Neuheit einen Versuch wert ist. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit versuchen IBM und Google, den Nutzern ihre Entwicklungen so schnell wie möglich zur Verfügung zu stellen. Zuvor bot IBM allen Anmeldungen für den Site-Zugriff auf seinen 16-Qubit-IBM Q-Computer an. Jetzt hat das Unternehmen eine 20-Qubit-Version für Unternehmenskunden entwickelt, darunter JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung und die Universität Oxford. Eine solche Zusammenarbeit hilft Kunden nicht nur dabei, etwas Nützliches und Interessantes zu finden, sondern schafft auch eine quantenkompetente Gemeinschaft von Programmierern, die neue Funktionen entwickeln und Probleme lösen, die innerhalb eines Unternehmens nicht gelöst werden können.
„Damit sich der Bereich des Quantencomputers aktiv entwickeln kann, muss man den Menschen die Möglichkeit geben, Quantencomputer zu verwenden und zu studieren“, sagt Gambetta. "Die gesamte wissenschaftliche und industrielle Welt muss sich jetzt auf eine Aufgabe konzentrieren - die Vorbereitung auf die Ära der Quantencomputer."
Projektübersetzung Neu
Philip Ball
