Zehn Jahre später weiß niemand, wann

Eine weniger informierte Person, die eine ganze Reihe von Veröffentlichungen über Quantencomputer gelesen hat, könnte den Eindruck gewinnen, dass es sich um „Maschinen von der Stange“ handelt, die genauso funktionieren wie herkömmliche Computer. Nichts könnte schlimmer sein. Manche glauben sogar, dass es noch keine Quantencomputer gibt. Und andere fragen sich, wofür sie verwendet werden sollen, da sie nicht dazu gedacht sind, Null-Eins-Systeme zu ersetzen.

Wir hören oft, dass die ersten echten und ordnungsgemäß funktionierenden Quantencomputer in etwa einem Jahrzehnt erscheinen werden. Allerdings bemerkte Linley Gwennap, Chefanalyst der Linley Group, in dem Artikel: „Wenn die Leute sagen, dass in zehn Jahren ein Quantencomputer auf den Markt kommen wird, wissen sie nicht, wann das passieren wird.“

Trotz dieser unklaren Situation herrscht eine Atmosphäre des Wettbewerbs um die sogenannten Quantenüberlegenheit. Besorgt über die Quantenarbeit und den Erfolg der Chinesen verabschiedete die amerikanische Regierung im vergangenen Dezember den National Quantum Initiative Act (1). Das Dokument soll Bundesunterstützung für die Forschung, Entwicklung, Demonstration und Anwendung von Quantencomputern und -technologien bereitstellen. Über einen magischen Zeitraum von zehn Jahren wird die US-Regierung Milliarden ausgeben, um eine Quantencomputer-Infrastruktur und ein Ökosystem aufzubauen und Menschen zu rekrutieren. Alle großen Entwickler von Quantencomputern – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft und Rigetti – sowie die Entwickler der Quantenalgorithmen 1QBit und Zapata begrüßten dies. Nationale Quanteninitiative.

Pioniere von D-WAve

Im Jahr 2007 stellte D-Wave Systems einen 128-Qubit-Chip vor (2), angerufen weltweit erster Quantencomputer. Es war jedoch nicht sicher, ob es so genannt werden konnte - es wurden nur seine Arbeiten gezeigt, ohne Details zu seiner Konstruktion. Im Jahr 2009 entwickelte D-Wave Systems eine „Quanten“-Bildsuchmaschine für Google. Im Mai 2011 erwarb Lockheed Martin einen Quantencomputer von D-Wave Systems. D-Welle eins für 10 Millionen US-Dollar und unterzeichnete gleichzeitig einen mehrjährigen Vertrag über den Betrieb und die Entwicklung geeigneter Algorithmen.

Im Jahr 2012 demonstrierte diese Maschine den Prozess der Suche nach dem helikalen Proteinmolekül mit der niedrigsten Energie. Forscher von D-Wave Systems verwenden Systeme mit unterschiedlichen Zahlen Qubits, führte eine Reihe mathematischer Berechnungen durch, von denen einige weit über die Fähigkeiten klassischer Computer hinausgingen. Allerdings veröffentlichten John Smolin und Graham Smith Anfang 2014 einen Artikel, in dem sie argumentierten, dass die Maschine von D-Wave Systems keine Maschine sei. Kurz darauf präsentierte Physics of Nature die Ergebnisse von Experimenten, die bewiesen, dass D-Wave One tatsächlich...

Ein weiterer Test, der im Juni 2014 durchgeführt wurde, zeigte keinen Unterschied zwischen dem klassischen Computer und der Maschine von D-Wave Systems, das Unternehmen antwortete jedoch, dass der Unterschied nur bei komplexeren Problemen als den im Test gelösten Problemen erkennbar sei. Anfang 2017 stellte das Unternehmen ein Auto vor, das angeblich aus besteht 2 QubitsDas war 2500-mal schneller als die schnellsten klassischen Algorithmen. Und erneut bewies eine Gruppe von Wissenschaftlern zwei Monate später, dass dieser Vergleich nicht korrekt war. Für viele Skeptiker sind D-Wave-Systeme immer noch keine Quantencomputer, sondern ihre Simulationen mit klassischen Methoden.

Das D-Wave-System der vierten Generation verwendet Quantenglühenund die Zustände des Qubits werden durch supraleitende Quantenschaltkreise (basierend auf den sogenannten Josephson-Kontakten) realisiert. Sie arbeiten in einer Umgebung nahe dem absoluten Nullpunkt und verfügen über ein 2048-Qubit-System. Ende 2018 wurde D-Wave auf den Markt gebracht JUMP, das ist Dein Echtzeit-Quantenanwendungsumgebung (KAE). Die Cloud-Lösung bietet externen Kunden Zugriff auf Quantencomputing in Echtzeit.

Im Februar 2019 kündigte D-Wave die nächste Generation an  Pegasus. Es wurde als „das umfangreichste kommerzielle Quantensystem der Welt“ mit fünfzehn statt sechs Verbindungen pro Qubit angekündigt mehr als 5 Qubits und das Einschalten der Geräuschunterdrückung auf einem bisher unbekannten Niveau. Das Gerät soll Mitte nächsten Jahres in den Handel kommen.

Qubits oder Überlagerungen plus Verschränkung

Standard-Computerprozessoren verlassen sich auf Pakete oder Informationsteile, die jeweils eine einzelne Ja- oder Nein-Antwort darstellen. Quantenprozessoren sind anders. Sie funktionieren nicht in der Null-Eins-Welt. Ellbogenknochen, die kleinste und unteilbare Einheit der Quanteninformation ist das beschriebene zweidimensionale System Hilbertraum. Daher unterscheidet er sich vom klassischen Schläger dadurch, dass er darin sein kann jede Überlagerung zwei Quantenzustände. Als physikalisches Modell eines Qubits wird am häufigsten ein Teilchen mit Spin ½, etwa ein Elektron, oder die Polarisation eines einzelnen Photons genannt.

Um die Leistungsfähigkeit von Qubits zu nutzen, müssen Sie sie mithilfe eines Prozesses namens „ Verwirrung. Mit jedem hinzugefügten Qubit steigt die Rechenleistung des Prozessors Doppel selbst, da mit der Anzahl der Verschränkungen die Verschränkung eines neuen Qubits mit allen bereits im Prozessor vorhandenen Zuständen einhergeht (3). Aber Qubits zu erstellen, zu kombinieren und sie dann mit komplizierten Berechnungen zu beauftragen, ist keine leichte Aufgabe. Sie bleiben äußerst empfindlich gegenüber äußeren Einflüssenwas zu Rechenfehlern und im schlimmsten Fall zum Zerfall verschränkter Qubits führen kann, also DekohärenzDas ist der wahre Fluch der Quantensysteme. Je mehr Qubits hinzugefügt werden, desto stärker werden die negativen Auswirkungen äußerer Kräfte. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, zusätzliche Funktionen zu aktivieren Qubits "KONTROLLE"deren einzige Aufgabe darin besteht, die ausgegebenen Daten zu überprüfen und zu korrigieren.

3. Symbolische Darstellung des IBM 50-Qubit-Systems

Dies bedeutet jedoch, dass leistungsfähigere Quantencomputer benötigt werden, die zur Lösung komplexer Probleme wie der Bestimmung der Faltung von Proteinmolekülen oder der Simulation physikalischer Prozesse im Inneren von Atomen nützlich sind. sehr Qubit. Tom Watson von der Universität Delft in den Niederlanden sagte kürzlich gegenüber BBC News:

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Kurz gesagt: Wenn Quantencomputer durchstarten wollen, müssen Sie einen einfachen Weg finden, große und stabile Qubit-Prozessoren herzustellen.

Da Qubits instabil sind, ist es äußerst schwierig, mit vielen von ihnen ein System zu erstellen. Sollten also Qubits als Quantencomputing-Konzept am Ende scheitern, haben Wissenschaftler eine Alternative: Quanten-Qubit-Gatter.

Das Team der Purdue University veröffentlichte in npj Quantum Information eine Studie, in der ihre Entstehung detailliert beschrieben wird. Wissenschaftler glauben das KuditsIm Gegensatz zu Qubits können sie in mehr als zwei Zuständen existieren – zum Beispiel 0, 1 und 2 – und mit jedem hinzugefügten Zustand erhöht sich die Rechenleistung eines einzelnen Qudits. Mit anderen Worten: Sie müssen die gleiche Menge an Informationen kodieren und verarbeiten. weniger Ruhm als Qubits.

Um Quantengatter mit Qudits zu erzeugen, kodierte das Purdue-Team vier Qudits hinsichtlich Frequenz und Zeit in zwei verschränkte Photonen. Das Team entschied sich für Photonen, weil sie nicht so leicht von ihrer Umgebung beeinflusst werden können und die Verwendung mehrerer Domänen eine stärkere Verschränkung mit weniger Photonen ermöglicht. Das fertige Gatter hatte eine Rechenleistung von 20 Qubits, obwohl es nur vier Qudits benötigte, mit zusätzlicher Stabilität durch den Einsatz von Photonen, was es zu einem vielversprechenden System für zukünftige Quantencomputer machte.

Silizium- oder Ionenfallen

Obwohl nicht jeder diese Meinung teilt, scheint die Verwendung von Silizium zur Herstellung von Quantencomputern enorme Vorteile zu haben, da die Siliziumtechnologie gut etabliert ist und bereits eine große Industrie damit verbunden ist. Silizium wird in den Quantenprozessoren von Google und IBM verwendet, allerdings wird es auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt. Es ist kein ideales Material für Quantensysteme, aber Wissenschaftler arbeiten daran.

Einer aktuellen Veröffentlichung in Nature zufolge richtete ein Forscherteam mithilfe von Mikrowellenenergie zwei in Silizium suspendierte Elektronenteilchen aus und führte dann eine Reihe von Testrechnungen durch. Die Gruppe, zu der insbesondere Wissenschaftler der University of Wisconsin-Madison gehörten, „suspendierte“ Einzelelektronen-Qubits in einer Siliziumstruktur, deren Spin durch die Energie der Mikrowellenstrahlung bestimmt wurde. Bei der Überlagerung drehte sich das Elektron gleichzeitig um zwei verschiedene Achsen. Anschließend wurden die beiden Qubits kombiniert und für die Durchführung von Testberechnungen programmiert. Anschließend verglichen die Forscher die vom System generierten Daten mit Daten, die sie von einem Standardcomputer erhielten, der dieselben Testberechnungen durchführte. Nach Korrektur der Daten erfolgt eine programmierbare Zwei-Bit-Quanten-Siliziumprozessor.

Allerdings ist die Fehlerquote immer noch viel höher als bei sogenannten Ionenfallen (Geräten, die geladene Teilchen wie Ionen, Elektronen, Protonen für einige Zeit speichern) oder Computern  Basierend auf Supraleitern wie D-Wave bleibt die Leistung bemerkenswert, da es äußerst schwierig ist, Qubits vom externen Rauschen zu isolieren. Experten sehen Möglichkeiten, das System zu skalieren und zu verbessern. Dabei ist der Einsatz von Silizium aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht von zentraler Bedeutung.

Für viele Forscher ist Silizium jedoch nicht die Zukunft des Quantencomputings. Im vergangenen Dezember tauchten Informationen auf, dass Ingenieure des amerikanischen Unternehmens IonQ Ytterbium verwendet haben, um den weltweit produktivsten Quantencomputer zu entwickeln, der den D-Wave- und IBM-Systemen überlegen ist.

Das Ergebnis war eine Maschine, die ein Atom in einer Ionenfalle enthielt (4) nutzt zur Kodierung ein einzelnes Daten-Qubit, die Steuerung und Vermessung der Qubits erfolgt über spezielle Laserpulse. Der Computer verfügt über einen Speicher, der 160 Qubits an Daten speichern kann. Es kann auch Berechnungen an 79 Qubits gleichzeitig durchführen.

4. IonQ-Ionenfallendiagramm

Wissenschaftler von IonQ führten einen Standardtest des sogenannten durch Bernstein-Waziraniego-Algorithmus. Die Aufgabe der Maschine bestand darin, eine Zahl zwischen 0 und 1023 zu erraten. Klassische Computer benötigen elf Versuche für eine 10-Bit-Zahl. Quantencomputer nutzen zwei Ansätze, um das Ergebnis mit 100-prozentiger Sicherheit zu erraten. Beim ersten Versuch erriet der IonQ-Quantencomputer durchschnittlich 73 % der vorgegebenen Zahlen. Wenn der Algorithmus für eine beliebige Zahl zwischen 1 und 1023 ausgeführt wird, hat der normale Computer eine Erfolgschance von 0,2 %, IonQ jedoch eine Erfolgschance von 79 %.

IonQ glaubt, dass auf Ionenfallen basierende Systeme den Silizium-Quantencomputern überlegen sind, die Google und andere Unternehmen bauen. Ihre 79-Qubit-Matrix ist Googles Bristlecone-Quantenprozessor um 7 Qubits überlegen. Auch in puncto Systemzuverlässigkeit ist das IonQ-Ergebnis sensationell. Nach Angaben der Macher der Maschine bleibt sie für ein einzelnes Qubit bei 99,97 %, was einer Fehlerquote von 0,03 % entspricht, während die besten Ergebnisse der Konkurrenz im Durchschnitt bei etwa 0,5 % lagen. Die Zwei-Bit-Fehlerrate des IonQ-Geräts soll bei 99,3 % liegen, während die meisten Konkurrenten unter 95 % liegen.

Es ist erwähnenswert, dass laut Google-Forschern Quantenüberlegenheit – der Punkt, an dem ein Quantencomputer alle anderen verfügbaren Maschinen übertrifft – kann bereits mit einem Quantencomputer mit 49 Qubits erreicht werden, sofern die Fehlerrate auf Zwei-Qubit-Gattern unter 0,5 % liegt. Die Ionenfallenmethode im Quantencomputing steht jedoch noch vor großen Hürden, die es zu überwinden gilt: langsame Ausführungszeit und enorme Größe sowie die Genauigkeit und Skalierbarkeit der Technologie.

Eine Festung aus Chiffren in Trümmern und anderen Folgen

Im Januar 2019 gab IBM-CEO Ginni Rometty auf der CES 2019 bekannt, dass IBM bereits ein integriertes Quantencomputersystem für den kommerziellen Einsatz anbietet. IBM Quantencomputer5) befinden sich als Teil des Systems physisch in New York IBM Q System One. Mit dem Q Network und dem Q Quantum Computational Center können Entwickler die Qiskit-Software problemlos zum Kompilieren von Quantenalgorithmen verwenden. Damit steht die Rechenleistung der IBM-Quantencomputer zur Verfügung Cloud-Computing-Dienst, akzeptabler Preis.

Auch D-Wave bietet seit einiger Zeit solche Dienste an und andere große Player (wie Amazon) planen ähnliche Quanten-Cloud-Angebote. Microsoft ging bei der Einführung noch einen Schritt weiter Q#-Programmiersprache (ausgesprochen wie), das Visual Studio und auf einem Laptop ausführen kann. Programmierer verfügen über ein Werkzeug, um Quantenalgorithmen zu modellieren und eine Softwarebrücke zwischen klassischem und Quantencomputing zu schaffen.

Die Frage ist jedoch: Wofür sind Computer und ihre Rechenleistung eigentlich nützlich? In einer im vergangenen Oktober in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler von IBM, der University of Waterloo und der Technischen Universität München versucht, die Arten von Problemen anzunähern, für die Quantencomputer am besten geeignet zu sein scheinen.

Laut der Studie werden solche Geräte in der Lage sein, komplexe Probleme zu lösen Lineare Algebra und Optimierungsprobleme. Es klingt vage, aber es gibt möglicherweise Möglichkeiten für einfachere und kostengünstigere Lösungen für Probleme, die derzeit viel Aufwand, Ressourcen und Zeit erfordern und manchmal außerhalb unserer Reichweite liegen.

5. IBM Quantencomputer

Nützliches Quantencomputing das Gebiet der Kryptographie grundlegend verändern. Dank ihnen könnten Verschlüsselungscodes schnell und möglicherweise geknackt werden Die Blockchain-Technologie wird zerstört. Die RSA-Verschlüsselung scheint mittlerweile eine zuverlässige und unzerbrechliche Sicherheit zu sein, die die meisten Daten und Kommunikationen weltweit schützt. Ein ausreichend leistungsfähiger Quantencomputer kann dies jedoch problemlos Knacken Sie die RSA-Verschlüsselung über Shors Algorithmus.

Wie kann man das verhindern? Einige plädieren dafür, die Länge öffentlicher Verschlüsselungsschlüssel auf die Größe zu erhöhen, die zur Überwindung der Quantenentschlüsselung erforderlich ist. Anderen zufolge sollte es allein verwendet werden, um die Kommunikationssicherheit zu gewährleisten. Dank der Quantenkryptographie würden die Daten bereits beim Abfangen beschädigt, woraufhin die Person, die das Teilchen manipuliert, nicht mehr in der Lage wäre, daraus nützliche Informationen zu erhalten, und der Empfänger würde vor dem Abhörversuch gewarnt werden.

Auch mögliche Anwendungen des Quantencomputings werden häufig erwähnt. Wirtschaftsanalyse und Prognose. Mit Quantensystemen können komplexe Modelle des Marktverhaltens um viel mehr Variablen als bisher erweitert werden, was zu genaueren Diagnosen und Prognosen führt. Durch die gleichzeitige Verarbeitung Tausender Variablen mit einem Quantencomputer wäre es außerdem möglich, den Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung zu reduzieren. neue Medikamente, Transport- und Logistiklösungen, Lieferketten, Klimamodellesowie zur Lösung vieler anderer Probleme von enormer Komplexität.

Nevens Gesetz

Die Welt der alten Computer hatte ihr eigenes Mooresches Gesetz, während sich Quantencomputer an dem sogenannten orientieren müssen Nevens Gesetz. Seinen Namen verdankt es einem der bekanntesten Quantenspezialisten von Google, Hartmut Nevena (6), in dem es heißt, dass derzeit Fortschritte in der Quantencomputertechnologie erzielt werden doppelte exponentielle Rate.

Dies bedeutet, dass die Quantentechnologie die Produktivität deutlich schneller steigert, anstatt die Produktivität durch aufeinanderfolgende Iterationen zu verdoppeln, wie es bei klassischen Computern und dem Mooreschen Gesetz der Fall war.

Experten sagen den Beginn der Quantenüberlegenheit voraus, die sich nicht nur in der Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber allen klassischen Methoden, sondern auch auf andere Weise niederschlagen lässt – als Beginn der Ära nützlicher Quantencomputer. Dies wird den Weg für Durchbrüche in der Chemie, Astrophysik, Medizin, Sicherheit, Kommunikation und vielem mehr ebnen.

Allerdings gibt es auch die Meinung, dass es eine solche Überlegenheit zumindest in absehbarer Zeit nie geben wird. Eine mildere Version der Skepsis ist das Quantencomputer werden klassische Computer niemals ersetzen, weil sie nicht dafür ausgelegt sind. Man kann ein iPhone oder einen PC nicht durch eine Quantenmaschine ersetzen, genauso wenig wie man Tennisschuhe durch einen nuklearen Flugzeugträger ersetzen kann. Mit klassischen Computern können Sie Spiele spielen, E-Mails abrufen, im Internet surfen und Programme ausführen. Quantencomputer führen meist Simulationen durch, die für binäre Systeme, die auf Computerbits laufen, zu komplex sind. Mit anderen Worten: Der einzelne Verbraucher wird von seinem eigenen Quantencomputer kaum profitieren, die eigentlichen Nutznießer der Erfindung werden jedoch beispielsweise die NASA oder das Massachusetts Institute of Technology sein.

Die Zeit wird zeigen, welcher Ansatz angemessener ist – IBM oder Google. Nach Nevens Gesetz sind wir nur noch wenige Monate davon entfernt, eine vollständige Demonstration der Quantenüberlegenheit durch das eine oder andere Team zu sehen. Und das sei „in zehn Jahren, das heißt, niemand weiß wann“, keine Perspektive mehr.