Was ist Quantenüberlegenheit? Und warum ist es wichtig?

Das Konzept der Quantensysteme wurde erstmals 1980 von dem russischen Mathematiker Yuri Manin vorgeschlagen. Es war jedoch Richard Feynman, der Anfang der 1980er Jahre die Möglichkeit von Quantencomputern erdachte.

Feynmann schlug vor, dass Quantencomputer bei der Lösung von Problemen der Chemie und Physik effektiv sein würden. Heutige Computer verwenden binäre Logik, um Aufgaben auszuführen, aber wenn wir die Regeln der Quantenmechanik anwenden, werden viele komplexe Rechenaufgaben machbar.

Im Jahr 2012 prägte der amerikanische theoretische Physiker John Preskill den Begriff „Quantenüberlegenheit“, um ein System zu beschreiben, das weit fortgeschrittener ist als klassische Computer. Es läutet die Ära der verrauschten Quantentechnologien mittlerer Größenordnung ein.

In diesem Übersichtsartikel haben wir erklärt, welchen Unterschied „Quantenüberlegenheit“ machen würde, was Technologieunternehmen bisher erreicht haben, warum es so ein Riesengeschäft ist. Beginnen wir mit den Grundlagen.

Was genau ist Quantenüberlegenheit?

Quantum Supremacy ist das Ziel, ein Quantencomputersystem zu bauen, das ein Problem lösen kann, das kein klassischer Computer in angemessener Zeit lösen kann.

Dies beinhaltet die Engineering-Aufgabe zur Entwicklung einer leistungsstarken Quantenmaschine sowie die rechenkomplexitätstheoretische Aufgabe zum Klassifizieren von Rechenproblemen, die von diesem Quantencomputer gelöst werden können.

Die Quantenüberlegenheit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu leistungsfähigeren und nützlicheren Berechnungen. Es wurden mehrere Vorschläge gemacht, um die Quantenüberlegenheit zu demonstrieren. Die bemerkenswertesten sind:

• Abtastung der Ausgabe einer zufälligen Quantenschaltung
• Frustrierte Cluster-Loop-Probleme von D-Wave
• Vorschlag zur Probenahme von Bosonen von Aaronson und Arkhipov

Wie werden wir sicher sagen, dass die Quantenüberlegenheit erreicht wurde?

Die Überprüfung der Quantenüberlegenheit ist eine der schwierigsten Aufgaben. Es ist nicht wie eine Nuklearexplosion oder ein Raketenstart, bei dem Sie nur zuschauen und sofort wissen, ob es erfolgreich war.

Sie müssen zwei Dinge genau demonstrieren, um die Quantenüberlegenheit zu bestätigen:

1. Das Quantengerät führt Berechnungen schnell durch.
2. Kein klassischer Computer könnte dieselbe Berechnung effizient durchführen.

Der zweite Teil ist ziemlich kompliziert. Es stellt sich heraus, dass klassische Computer bestimmte Arten von Problemen sehr effizient lösen können (besser als die Wissenschaftler erwarten). Bis man bewiesen hat, dass ein klassischer Computer eine bestimmte Aufgabe unmöglich effektiv ausführen kann, besteht immer die Chance, dass ein effizienterer, besserer klassischer Algorithmus existiert. Der Beweis, dass es keinen solchen klassischen Algorithmus gibt, könnte umstritten sein und viel Zeit in Anspruch nehmen.

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Der Kampf um den Bau eines Quantencomputers

Es gibt zwar schon seit mehreren Jahren funktionierende Quantengeräte, aber sie übertreffen klassische Computer nur unter bestimmten Bedingungen. Die meisten Aufgaben, die diese Quantenmaschinen ausführen, sind im Alltag nicht einmal nützlich.

Im Jahr 2016 entwickelte Google eine vollständig skalierbare Quantensimulation eines Wasserstoffmoleküls unter Verwendung eines 9-Qubit-Quantenchips. Im Jahr 2017 stellte Intel einen supraleitenden 17-Qubit-Testchip für Quantencomputing her, und IBM legte die Messlatte mit einem 50-Qubit-Chip höher, der seinen Quantenzustand 90 Mikrosekunden lang aufrechterhalten konnte.

17-Qubit-Supraleiter-Testchip, entwickelt von Intel

2018 stellte Google einen 72-Qubit-Prozessor namens Bristlecone vor, und 2019 brachte IBM den weltweit ersten kommerziellen schaltungsbasierten Quantencomputer IBM Q System One auf den Markt.

D-Wave Systems, ein gut finanziertes kanadisches Quantencomputing-Unternehmen, bleibt eine Ausnahme. Im Jahr 2015 wurde sein 2X-Quantencomputer mit über 1000 Qubits im NASA-Labor für künstliche Quantenintelligenz installiert. Das Unternehmen hat Subsequenzsysteme mit 2048-Qubits ausgeliefert. Ihre Geräte basieren auf einer alternativen Technik namens Quantum Annealing, um sehr spezifische Probleme zu lösen.

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Große Ankündigung von Google 

Ende 2019 gaben Google-Forscher aus heiterem Himmel bekannt, dass sie die Quantenvorherrschaft erreicht haben. Sie entwickelten einen 54-Qubit-Prozessor namens Sycamore, der die Zielberechnung (eine Zufallsstichprobenberechnung) in 200 Sekunden durchführte.

Nach Angaben des Forschungsteams würde ein klassischer Supercomputer 10.000 Jahre brauchen, um die gleichen Berechnungen durchzuführen. Diese erhebliche Geschwindigkeitssteigerung (im Vergleich zu klassischen Algorithmen) ist eine experimentelle Realisierung der Quantenüberlegenheit für diese spezielle Aufgabe.

Was haben sie getan?

Um die Quantenüberlegenheit zu demonstrieren, entschied sich Google, ein bestimmtes Problem namens „Random Circuit Sampling“ zu lösen. Ein einfaches Beispiel für dieses Problem ist ein Programm zum Simulieren eines fairen Würfelwurfs.

Das Programm wird genau ausgeführt, wenn es alle möglichen Ergebnisse entsprechend abtastet. Das bedeutet, dass das Programm jede Zahl auf dem Würfel 1/6 der Zeit generieren sollte, wenn es wiederholt ausgeführt wird.

In einem realen Szenario muss ein Computer, anstatt einen Würfel zu platzieren, alle möglichen Ausgänge einer zufälligen Quantenschaltung richtig abtasten. Diese Abfolge von Aktionen wird an einer Reihe von Qubits ausgeführt. Wenn Qubits einen Schaltkreis durchlaufen, wird ihr Zustand verschränkt (auch bekannt als Quantensuperposition).

Wenn eine Schaltung beispielsweise auf 54 Qubits wirkt, bewirkt dies, dass 54 Qubits eine Überlagerung von 2 ⁵⁴ . sind mögliche Zustände am Ende der Schaltung. Dies bedeutet den Satz von 2 ⁵⁴ Möglichkeiten kollabiert in einer Kette von 54 Bit. Es ist, als würde man mit einem Würfel würfeln, aber anstelle von 6 möglichen Ergebnissen erhalten Sie 2 ⁵⁴ Ergebnisse, und nicht alle treten mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf.

Die Probenserie aus dieser Zufallsschaltung (mit der richtigen Verteilung) kann effizient auf Quantencomputern erzeugt werden. Es gibt jedoch keinen klassischen Algorithmus, um diese Samples auf hochmodernen Supercomputern zu produzieren. Daher werden digitale Supercomputer mit steigender Anzahl von Samples schnell von den Berechnungen überfordert.

In diesem Experiment führten Google-Forscher zufällige vereinfachte Schaltungen von 12 bis 53 Qubits durch und hielten die Anzahl der Gatterzyklen (Quantenlogikgatter) konstant. Anschließend überprüften sie mit klassischen Simulationen die Leistung des Quantencomputers und verglichen ihn mit einem theoretischen Modell.

Nachdem sie bestätigt hatten, dass das System korrekt funktioniert, führten sie eine zufällige Hard-Circuit-Schaltung mit 53 Qubits und erhöhten Gate-Zyklen durch, bis sie einen Punkt erreichten, an dem die klassische Simulation nicht mehr praktikabel war.

Prozess zum Nachweis der Quantenüberlegenheit | Kredit:Google 

Das Experiment wurde auf einem vollständig programmierbaren 54-Qubit-Chip, Sycamore, durchgeführt. Es enthält ein 2D-Gitter, in dem jedes Qubit mit 4 anderen Qubits verbunden ist, was genügend Konnektivität für Qubit-Zustände ermöglicht (so dass sie sofort im gesamten Prozessor interagieren) und es unmöglich macht, dieselben Berechnungen auf klassischen Computern durchzuführen.

Um dieses Leistungsniveau zu erreichen, nutzten sie einen neuartigen Kontrollknopf, der Interaktionen zwischen benachbarten Qubits abschalten konnte, wodurch Fehler im mehrfach verbundenen Qubit-System deutlich reduziert wurden. Sie entwickelten auch neue Kontrollkalibrierungen, um Qubit-Defekte zu vermeiden, und optimierten das Chipdesign, um das Übersprechen zu verringern, was die Leistung des Quantenchips weiter verbesserte.

Hat Google wirklich die Quantenvorherrschaft erreicht?

Der Sycamore-Chip von Google wird im Inneren des Quantenkryostaten kühl gehalten. Bildquelle:Eric Lucero/Google 

Obwohl Google behauptete, die Quantenüberlegenheit erreicht zu haben und ein klassischer Supercomputer etwa 10.000 Jahre brauchen würde, um die entsprechende Aufgabe zu erfüllen, bestritt IBM diese Behauptung und sagte, dass eine ideale Simulation derselben Aufgabe auf einem klassischen Computer in 2,5 Tagen mit weitem Abstand durchgeführt werden kann größere Treue.

Das Experiment von Google sollte nicht als Beweis dafür angesehen werden, dass Quantengeräte gegenüber klassischen Computern „überlegen“ sind. Es demonstriert jedoch perfekt den Fortschritt beim supraleitenden Quantencomputing und enthüllt hochmoderne Gate-Genauigkeiten auf einem 53-Qubit-System.

Schlagzeilen, die einige Variationen von „Quantenüberlegenheit erreicht“ enthalten, sind auffällig und interessant zu lesen, aber sie führen die breite Öffentlichkeit völlig in die Irre.

Gemäß der Definition der Quantenvorherrschaft ist das Ziel nicht erreicht. Und selbst wenn es jemand in naher Zukunft demonstriert, werden Quantencomputer niemals „die Vorherrschaft“ gegenüber klassischen Computern haben. Stattdessen werden Quantensysteme neben klassischen Supercomputern arbeiten, da jeder seine einzigartigen Stärken und Vorteile hat.

Kontroverse um die Namensgebung

Einige Wissenschaftler sind mit dem Begriff „Quantenvorherrschaft" nicht einverstanden. Aus ihrer Sicht hat das Wort „Vorherrschaft" durch seine Assoziation mit „weißer Vorherrschaft" einen Unterton von Gewalt, Neokolonialismus und Rassismus Vorteil' sollte stattdessen verwendet werden.

John Preskill, der diesen Satz erfunden hat, stellte jedoch klar, dass er betonen wollte, dass dies eine privilegierte Zeit in der Geschichte ist, in der Informationstechnologien, die auf Quantengesetzen basieren, auf dem Vormarsch sind. Er erklärte auch, dass „Quantenüberlegenheit“ am besten den Punkt erfasste, den er vermitteln wollte. Anderen Wörtern wie „Vorteil“ fehlt die Schlagkraft von „Vorherrschaft“.

Anwendungen und Zukunft

Die jüngsten Fortschritte im Quantencomputing haben eine ganz neue Generation von Informatikern und Physikern dazu inspiriert, den Aspekt der Informationstechnologie grundlegend zu verändern.

Derzeit arbeiten Wissenschaftler an fehlertoleranten Quantenmaschinen, die Rechenfehler in Echtzeit korrigieren könnten und so fehlerfreie Quantenberechnungen ermöglichen. Angesichts des aktuellen Stands der Technik im Bereich Quantencomputing ist dieses Ziel noch einige Jahre von der Verwirklichung entfernt.

Technologieunternehmen investieren Hunderte Millionen Dollar, um so schnell wie möglich fehlertolerante Quantengeräte zu entwickeln. Die große Frage ist jedoch, ob Quantenmaschinen fehlertolerant sein müssen, bevor sie eine nützliche Aufgabe ausführen können.

Solche Maschinen versprechen eine Vielzahl wertvoller Anwendungen. Quantencomputing könnte beispielsweise die Wettervorhersage verbessern, die Cybersicherheit stärken und dazu beitragen, neues Material für Flugzeuge und leichte Fahrzeugbatterien zu entwickeln. Es könnte einzelne Moleküle präzise abbilden, was wiederum potenziell Chancen für die pharmazeutische Forschung eröffnen könnte.

Es könnte auch starke Auswirkungen auf den Bankensektor haben. Quantum Computing kann finanzielle Probleme im Zusammenhang mit der Optimierung der Anlagestrategie lösen, bei der eine große Anzahl von Portfoliokombinationen analysiert werden, um die am besten geeigneten Kriterien herauszufinden oder betrügerische Transaktionen zu erkennen.

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Derzeit ist es schwer vorherzusagen, welche Branche sich Quantencomputing am stärksten auswirken wird, da es an einer sehr begrenzten Anzahl von Aufgaben getestet wurde. Wir müssen einige Jahre (oder sogar Jahrzehnte) geduldig sein, bevor wir die volle Pracht des Quantenzeitalters genießen können.