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Quantenchip benötigt Mikrosekunden, um eine Aufgabe zu erledigen, mit der ein Supercomputer 9,000 Jahre verbringen würde

Zeitstempel: 7. Juni 2022, 10:00 Uhr
Quantenvorteil Photonenlichtbasiertes Computing

Sind Quantencomputer überbewertet?

Eine neue Studie in Natur sagt nein. Ein ausgeklügeltes Quantengerät, das von Xanadu, einem Unternehmen mit Sitz in Toronto, Kanada, entwickelt wurde, hat herkömmliche Computer bei einer Benchmark-Aufgabe ausgelöscht, die sonst über 9,000 Jahre dauern würde.

Für den Quantenchip Borealis kamen die Antworten innerhalb von 36 MikrofonSekunden.

Xanadus Errungenschaft ist die neueste, die die Macht der Quanten demonstriert Computing gegenüber herkömmlichen Computern – eine scheinbar einfache Idee, die als Quantenvorteil bezeichnet wird.

Theoretisch macht das Konzept Sinn. Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die nacheinander mit binären Bits – 0 oder 1 – rechnen, erschließen Quantengeräte die Verrücktheit der Quantenwelt, in der 0 und 1 mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten gleichzeitig existieren können. Die Daten werden in Qubits verarbeitet, einer unverbindlichen Einheit, die dank ihrer einzigartigen Physik mehrere Berechnungen gleichzeitig durchführt.

Übersetzung? Ein Quantencomputer ist wie ein hypereffizienter Multitasker, während herkömmliche Computer viel linearer sind. Bei demselben Problem sollte ein Quantencomputer in der Lage sein, jedes zu schlagen Supercomputer in jedem Problem in Bezug auf Geschwindigkeit und Effizienz. Die Idee, die als „Quantenüberlegenheit“ bezeichnet wird, war die treibende Kraft, um auf eine neue Generation von Computern zu drängen, die alles bisher Dagewesene völlig fremd sind.

Das Problem? Der Nachweis der Quantenüberlegenheit ist extrem schwierig. Da Quantengeräte zunehmend das Labor verlassen, um mehr reale Probleme zu lösen, nehmen Wissenschaftler einen Zwischenmaßstab an: Quantenvorteil, d. h. die Idee, dass ein Quantencomputer einen herkömmlichen bei nur einer Aufgabe schlagen kann – jeder Aufgabe.

Bereits im Jahr 2019 Google das Internet kaputt gemacht Es zeigt das erste Beispiel eines Quantencomputers, Sycamore, der ein Rechenproblem in nur 200 Sekunden mit 54 Qubits löst – verglichen mit der Schätzung eines herkömmlichen Supercomputers von 10,000 Jahren. Ein chinesisches Team Bald darauf folgte eine zweite faszinierende Demonstration der Vorteile der Quantencomputer, bei der die Maschine Antworten ausspuckte, für die ein Supercomputer über zwei Milliarden Jahre brauchen würde.

Doch eine entscheidende Frage bleibt: Sind diese Quantengeräte auch nur annähernd praxisreif?

Eine drastische Neugestaltung

Man vergisst leicht, dass Computer auf Physik angewiesen sind. Unser aktuelles System zapft zum Beispiel an Elektronen und clever gestaltet Chips um ihre Funktionen zu erfüllen. Quantencomputer sind ähnlich, aber sie setzen auf alternative Teilchenphysik. Die ersten Generationen von Quantenmaschinen sahen aus wie filigrane, schimmernde Kronleuchter. Obwohl sie im Vergleich zu einem kompakten Smartphone-Chip absolut großartig sind, sind sie auch völlig unpraktisch. Die Hardware erfordert oft streng kontrollierte Klimazonen – zum Beispiel eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt – um Interferenzen zu reduzieren und die Effizienz des Computers zu steigern.

Das Kernkonzept des Quantencomputings ist das gleiche: Qubits verarbeiten Daten in Überlagerung, eine Eigenart der Quantenphysik, die es ihnen ermöglicht, Nullen, Einsen oder beides gleichzeitig zu codieren. Die Hardware, die die Idee unterstützt, ist sehr unterschiedlich.

Googles Sycamore zum Beispiel verwendet supraleitende Metallschleifen – ein Setup, das bei anderen Technologiegiganten beliebt ist, darunter IBM, das Eagle, ein leistungsstarkes, eingeführt hat 127-Qubit-Quantenchip im Jahr 2021 ist das etwa die Größe eines Viertels. Andere Iterationen von Unternehmen wie z Honeywell und IonQ verfolgte einen anderen Ansatz und nutzte Ionen – Atome, denen ein oder mehrere Elektronen entfernt wurden – als Hauptquelle für Quantencomputer.

Eine andere Idee beruht auf Photonen oder Lichtteilchen. Es hat sich bereits als nützlich erwiesen: Die chinesische Demonstration des Quantenvorteils verwendete beispielsweise ein photonisches Gerät. Aber die Idee wurde auch eher als bloßes Sprungbrett in Richtung Quantencomputer denn als praktische Lösung gemieden, hauptsächlich wegen Schwierigkeiten bei der Konstruktion und Einrichtung.

Eine photonische Revolution

Xanadus Team bewies, dass Neinsager falsch liegen. Der neue Chip, Borealis, ähnelt geringfügig dem in der chinesischen Studie, da er Photonen anstelle von supraleitenden Materialien oder Ionen für die Berechnung verwendet.

Aber es hat einen großen Vorteil: Es ist programmierbar. „Frühere Experimente stützten sich normalerweise auf statische Netzwerke, in denen jede Komponente nach der Herstellung fixiert wird“, erklärt Dr. Daniel Jost Brod von der Federal Fluminense University in Rio de Janeiro in Brasilien, der nicht an der Studie beteiligt war. Die frühere Demonstration des Quantenvorteils in der chinesischen Studie verwendete einen statischen Chip. Bei Borealis hingegen „können alle optischen Elemente leicht programmiert werden“, wodurch es weniger zu einem Einweggerät als vielmehr zu einem tatsächlichen Computer wird, der potenziell mehrere Probleme lösen kann. (Der Quantenspielplatz ist in der Cloud verfügbar damit jeder experimentieren und erkunden kann, sobald Sie sich angemeldet haben.)

Die Flexibilität des Chips kommt von einem ausgeklügelten Design-Update, einem „innovativen Schema, das beeindruckende Kontrolle und Skalierungspotenzial bietet“, sagte Brod.

Das Team konzentrierte sich auf ein Problem namens Gaußsches Boson-Sampling, ein Benchmark zur Bewertung der Quantencomputing-Fähigkeiten. Der Test ist zwar rechnerisch außerordentlich schwierig, hat aber keinen großen Einfluss auf reale Probleme. Wie Schach oder Go zur Messung der KI-Leistung fungiert es jedoch als unvoreingenommener Richter, um die Leistung von Quantencomputern zu untersuchen. Es ist eine Art „Goldstandard“: „Das Gaußsche Bosonen-Sampling ist ein Schema, das entwickelt wurde, um die Vorteile von Quantengeräten gegenüber klassischen Computern zu demonstrieren“, erklärte Brod.

Der Aufbau ist wie ein Karnevals-Funhouse-Spiegelzelt in einem Horrorfilm. Besondere Zustände von Licht (und Photonen) – amüsanterweise „gequetschte Staaten“– werden auf den Chip getunnelt, der in ein Netzwerk von Strahlteilern eingebettet ist. Jeder Strahlteiler wirkt wie ein halbdurchlässiger Spiegel: Je nachdem, wie das Licht auftrifft, teilt er sich in mehrere Töchter auf, von denen einige zurückreflektieren und andere hindurchtreten. Am Ende der Vorrichtung befindet sich eine Anordnung von Photonendetektoren. Je mehr Strahlteiler vorhanden sind, desto schwieriger ist es zu berechnen, wie jedes einzelne Photon zu einem bestimmten Detektor gelangt.

Als weitere Visualisierung: Stellen Sie sich eine Bohnenmaschine vor, ein mit Stiften besetztes Brett, das in Glas eingeschlossen ist. Um zu spielen, werfen Sie einen Puck in die Stifte oben. Wenn der Puck fällt, trifft er zufällig auf verschiedene Stifte und landet schließlich in einem nummerierten Schlitz.

Beim Gaußschen Bosonen-Sampling werden die Pucks durch Photonen ersetzt, mit dem Ziel zu erkennen, welches Photon in welchem ​​Detektorschlitz landet. Aufgrund von Quanteneigenschaften wachsen die möglichen resultierenden Verteilungen exponentiell und übertreffen schnell alle Supercomputerleistungen. Es ist ein ausgezeichneter Benchmark, erklärte Brod, vor allem, weil wir die zugrunde liegende Physik verstehen, und der Aufbau darauf hindeutet, dass selbst ein paar hundert Photonen Supercomputer herausfordern können.

Die neue Studie nahm die Herausforderung an und erfand ein photonisches Quantengerät mit bewundernswerten 216 Qubits neu. Im Gegensatz zu klassischen Designs berechnete das Gerät Photonen in Bins der Ankunftszeit und nicht im vorherigen Richtungsstandard. Der Trick bestand darin, Schleifen aus optischen Fasern einzuführen, um Photonen zu verzögern, damit sie an bestimmten Stellen interferieren können, die für die Quantenberechnung wichtig sind.

Diese Optimierungen führten zu einem stark abgespeckten Gerät. Das übliche große Netzwerk von Strahlteilern, das normalerweise für die Photonenkommunikation benötigt wird, kann auf nur drei reduziert werden, um alle notwendigen Verzögerungen für die Interaktion und Berechnung der Aufgabe durch Photonen zu bewältigen. Die Schleifendesigns sind zusammen mit anderen Komponenten auch „leicht programmierbar“, da ein Strahlteiler in Echtzeit feinabgestimmt werden kann – wie beim Bearbeiten von Computercode, jedoch auf Hardwareebene.

Das Team bestand auch eine standardmäßige Plausibilitätsprüfung und bestätigte, dass die Ausgabedaten korrekt waren.

Im Moment sind Studien, die zuverlässig die Quantenüberlegenheit zeigen, rar. Herkömmliche Computer haben einen Vorsprung von einem halben Jahrhundert. Da sich Algorithmen auf herkömmlichen Computern weiterentwickeln – insbesondere auf solchen, die auf leistungsstarke KI-fokussierte Chips zurückgreifen oder neuromorph Computerdesigns – sie können Quantengeräte sogar leicht übertreffen, sodass sie Schwierigkeiten haben, aufzuholen.

Aber das ist der Spaß an der Jagd. „Ein Quantenvorteil ist kein genau definierter Schwellenwert, der auf einer einzigen Leistungszahl basiert. Und mit der Entwicklung der Experimente werden auch die Techniken zu ihrer Simulation weiterentwickelt – wir können erwarten, dass rekordverdächtige Quantengeräte und klassische Algorithmen in naher Zukunft abwechselnd um den Spitzenplatz herausfordern werden“, sagte Brod.

„Das ist vielleicht noch nicht das Ende der Geschichte“, fuhr er fort. Aber die neue Studie „ist ein Sprung nach vorne für die Quantenphysik in diesem Rennen“.

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