Willkommen im Quantenzeitalter
In einem Artikel aus dem Jahr 2012 stellte John Preskill, ein theoretischer Physiker, die folgende Frage: „Ist die Entwicklung von großen Quantensystemen einfach sehr, sehr schwierig, oder ist sie lächerlich schwierig?“ Sieben Jahre später haben wir die Antwort: Es ist sehr, sehr schwierig.
Kürzlich erschien eine Forschungsarbeit zu diesem Thema für sehr kurze Zeit und zufällig online. „Nature“, eine hochrangige Wissenschaftszeitschrift, hatte sich bereit erklärt, das Papier zu veröffentlichen, das jedoch zum Zeitpunkt der vorübergehenden Veröffentlichung noch vertraulich war.
Das Papier enthüllte, dass Google das erreicht hat, was Preskill „Quantenüberlegenheit“ nannte. Mithilfe eines Quantencomputers führten Forscher des Internetgiganten in drei Minuten eine Berechnung durch, für die Summit, der derzeit leistungsstärkste IBM-Supercomputer der Welt, 10.000 Jahre Rechenzeit benötigt hätte.
Ein definitiver Ausdruck der Quantenüberlegenheit. Es besteht Einigkeit darüber, dass dieses vertrauliche Dokument wirklich einen Meilenstein in der Geschichte der Technik darstellt.
Es könnte eine Wasserscheide zwischen zwei Epochen sein: einem „Vorher“, als man sich darauf verlassen konnte, dass Quantencomputer Siliziumcomputer übertrafen, und einem „Nachher“, als dies tatsächlich geschah. Bisher wurde viel über die zweite Ära gesprochen. Jetzt ist es angekommen
Ein ziemlicher Sprung nach vorne
Das Experiment von Google bestand darin, das „Circuit Sampling“ durchzuführen. Der Test überprüft, ob sich die von der Maschine durchgeführte Verarbeitung ausgehend von zufälligen Eingaben an ein bestimmtes Modell anpassen kann.
Diese ziemlich bizarre Aufgabe wurde gewählt, um den Besonderheiten eines Quantencomputers gerecht zu werden, aber auch um die gleiche Verarbeitung auf einem klassischen Computer zu vergleichen.
Ein Experiment von geringer praktischer Relevanz, auch wenn der Glaube weit verbreitet ist, dass Quantencomputer im Laufe der Zeit in der Lage sein könnten, Dinge von praktischer Bedeutung und normaler für das Leben gewöhnlicher Menschen zu bewältigen.
Diese könnten sich auf das Design neuer Medikamente und Materialien oder maschinelles Lernen beziehen. Darüber hinaus könnten sie die kryptografischen Codes, die heute die Geheimnisse der Welt schützen, obsolet machen.
Von Bits zu Qubits
Quantencomputer verwenden drei Konzepte. Die eine ist die „Quantenüberlagerung“, die Idee hinter Schrödingers berühmter toter und lebendiger Katze. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die nur zwei Zustände haben können – eins oder null – können Qubits eine Kombination aus beidem sein.
Die Maschine von Google zum Beispiel hat 53 Qubits, die zusammen fast zehn Millionen mögliche überlappende Zustände darstellen können.
Die zweite ist „Verstrickung“. Es bindet Quantenteilchen über Zeit und Raum hinweg zusammen. Bei Standardcomputern ist jedes Bit eng mit dem Zustand des nächsten verbunden.
Qubits im Quantencomputing sind stark miteinander verflochten. Mathematische Operationen an überlappenden und verschränkten Qubits können mehr oder weniger gleichzeitig auf alle Qubits in einem einzigen Rechenprozess wirken.
Wie ein Quantencomputer funktioniert
Eine Quantenberechnung beginnt mit der Annäherung an Qubits, eines nach dem anderen. Um es so weit wie möglich zu vereinfachen, kann man sagen, dass es ein Qubit zu einer Eins oder einer Null macht und es dann mit seinem Nachbarn schneidet. Sobald dies erledigt ist, lässt er die Regeln der Quantenphysik mit den Zuständen und Verknüpfungen von Qubits arbeiten, die sich im Laufe der Zeit entwickeln.
Abschließend (aber nicht vorher, da dies die Berechnung vermasseln würde) werden die Qubits gleichzeitig auf eine Antwort untersucht.
Die Hauptaufgabe besteht darin, die richtige Antwort unter einer Milliarde falschen zu identifizieren. Hier kommt die dritte Idee, die kontraintuitive, ins Spiel.
In der klassischen Physik müssen Wahrscheinlichkeiten in positiven Zahlen ausgedrückt werden. Nehmen wir an, es gibt eine Regenwahrscheinlichkeit von 30 %. Die Quantenmechanik verwendet ein verwandtes Konzept namens „Amplituden“. Diese können sowohl negativ als auch positiv sein.
Sie müssen dafür sorgen, dass sich die Amplituden, die falsche Antworten darstellen, gegenseitig aufheben, während diejenigen, die die richtigen darstellen, hervortreten. Auf diese Weise können Entwickler mit einer akzeptablen Annäherung an die richtige Lösung herangehen.
Im Labor ist es komplexer
Dies ist die Erklärung, die in Lehrbüchern zu finden ist. Im Labor wird es komplizierter. Quantenüberlagerungen und Quantenkorrelationen sind äußerst heikle Phänomene.
Beispielsweise kann die Wellenbewegung benachbarter Moleküle diese unterbrechen und eine Berechnung erschweren.
Die meisten Projekte, die auf Quantencomputern entwickelt werden, erfordern, dass die Maschinen auf niedrigeren Temperaturen als im Weltraum gehalten und in speziellen Räumen untergebracht werden.
Es braucht auch viel spezialisiertes Personal, um die Verarbeitungsprozesse im Auge zu behalten.
Das Fehlererkennungsproblem
Doch weder das extreme Können der Wissenschaftler noch die idealen Laborbedingungen können Fehler verhindern.
Das größte Problem für Quantenwissenschaftler ist das Finden und Korrigieren von Rechenfehlern. Wie bereits erwähnt, erfordert die Entwicklung praktischer Anwendungen mit Quantencomputern viel, viel mehr Rechenleistung als herkömmliche Geräte. Bei dieser Größenordnung steigt das Fehlerrisiko stark an.
Dieser Zustand hat die großen Unternehmen der Computerindustrie wie IBM, Intel und Microsoft und die klügsten Köpfe wie Chad Rigetti dazu veranlasst, immer bessere und weniger fehlerhafte Entwicklungskits zu bauen.
Effiziente Algorithmen
Parallel zu diesem Wettlauf um den Bau besserer Maschinen läuft der Wettlauf um die Entwicklung effizienter Quantenalgorithmen. Der bisher bekannteste Fall ist wahrscheinlich der von Peter Shor 1994 bei Bell Labs entwickelte Faktorisierungsalgorithmus.
Shor hat mit einem Quantenturbolader einen mathematischen Algorithmus entwickelt, der eine schnelle Zerlegung ganzer Zahlen in ihre Primzahlen erlaubt.
Etwas, das Kryptografen Angst macht, einer Gruppe von Wissenschaftlern, deren Wert in Bezug auf die Schwierigkeit geschätzt wird, das auszuführen, was Shors Algorithmus tut.
Aber wenn Quantencomputer es wirklich schaffen sollen, braucht es neue Algorithmen. Die Entwicklung solcher Algorithmen wird dadurch erleichtert, dass viele der praktischen Anwendungen (Design von Arzneimitteln, Materialien usw.) selbst von Quantenprozessen abhängen.
Dies ist in der Tat auch der Grund, warum es bisher schwierig war, solche Anwendungen zu entwickeln.
Wenige Geräte?
Trotz des Versprechens von Quantencomputing ist vielen Forschern auf diesem Gebiet der Begriff „Quantenüberlegenheit“ unangenehm. Ich fühle mich unwohl, weil das Aufkommen der Quantenüberlegenheit einen Wendepunkt impliziert, der, einmal überschritten, Jahrzehnte angewandter Computer im Namen von etwas Seltsamem und Erstaunlichem auf den Dachboden schickt.
Und trotz des „vorher“ und „nachher“, das das Google-Dokument bestimmt, wird der Bau effizienter Quantengeräte für praktische Anwendungen kein einfacher Weg sein.
Die meisten Menschen halten es für ein Wagnis, vorherzusagen, dass Quantencomputing klassisches Computing ersetzen wird. Ein Beispiel sind die praktischen Aspekte des Betriebs von Quantencomputern bei sehr niedrigen Temperaturen.
Regierungen, große Unternehmen und die wohlhabendsten Universitäten werden zweifellos ihre eigenen Autos haben. Andere werden Zeit auf Geräten mieten, die mit Quantenversionen der Cloud verbunden sind. In jedem Fall wird die Gesamtzahl der Quantencomputer begrenzt sein.
Und es ist gut, dass es so ist. In jedem Fall können wir dieser Vorhersage etwas skeptisch gegenüberstehen, wenn wir auf die Anfänge des klassischen Rechnens zurückblicken, das eine Sache der Auserwählten war. 1943 erklärte Thomas Watson, der damalige Leiter von IBM: „Ich denke, es könnte einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer geben.“ Falsche Vorhersage eines Faktors, vielleicht einer Milliarde Faktoren.
Aus The Economist vom 26. September 2019
