Am 23. Oktober veröffentlichte die Zeitschrift Nature einen Artikel von Forschern der Abteilung für künstliche Quantenintelligenz bei Google, in dem es um das Erreichen der Quantenvorherrschaft ging. Ein Team von Wissenschaftlern um John Martinis hat mit Hilfe eines Quantencomputers die Lösung eines Problems angekündigt, das für den modernsten klassischen Supercomputer unerträglich ist. N + 1 hat herausgefunden, was im Detail passiert ist.
Sycamore Quantum Prozessor
Gründung
Die Idee eines Quantencomputers tauchte vor etwa 40 Jahren in den Werken des sowjetischen Wissenschaftlers Yuri Manin auf, wurde aber bald eigenständig und in deutlich klarerer Form von Richard Feynman formuliert.
Die Essenz des Paradigmas des Quantencomputings liegt in der Nutzung von Quantensystemen zur Speicherung und Verarbeitung von Daten, deren Zustände im Kontinuum zwischen den Hauptpositionen beliebige Werte annehmen können, während sie im klassischen Fall beispielsweise ein Element eines Computers sind ein Transistor, befindet sich eindeutig in einer von zwei möglichen Positionen.
Analog zu den üblichen Informationsbits werden im Quantenfall Qubits eingeführt. Als Ergebnis wird das System von N Qubits vollständig beschrieben, indem nur 2N Parameter verwendet werden, von denen jeder gleich einer beliebigen Zahl zwischen null und eins sein kann. Gleichzeitig wird auch ein System von N klassischen Bits durch 2N Parameter beschrieben, die jedoch nur zwei Extremwerte annehmen können.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein Quantencomputer keinen klassischen ersetzen kann, da er dennoch verschiedene Klassen von Problemen effektiv lösen kann. Zudem haben Wissenschaftler erst vor kurzem das erste Beispiel für ein Problem gefunden, das im Prinzip nur ein Quantencomputer lösen kann.
Evolution
Quantencomputer erhielten bis Mitte der 1990er Jahre keine große Aufmerksamkeit, als die ersten Quantenalgorithmen auftauchten, also Programme, die mit ihrer Hilfe theoretisch ausführbar sind. Der Wendepunkt kam nach der Veröffentlichung der Arbeit von Peter Shor, der einen Weg fand, große Zahlen effektiv zu faktorisieren, dh in Primfaktoren zu zerlegen.
Die Komplexität dieser Aufgabe für einen klassischen Computer nimmt mit zunehmender Zahl rasant zu, weshalb sie einigen Verschlüsselungsmechanismen, insbesondere im weit verbreiteten RSA-Protokoll, zugrunde liegt. Die kryptographische Sicherheit dieser Methode beruht darauf, dass gewöhnliche Computer die zum Entschlüsseln der Zahl benötigte Zahl nicht in angemessener Zeit finden können, und dank des Algorithmus von Shor ist ein Quantencomputer theoretisch in der Lage, dies zu tun.
Wissenschaftler in vielen Ländern der Welt haben begonnen, Quantencomputer zu entwickeln. Darüber hinaus begannen kommerzielle Strukturen wie Google, IBM, Microsoft und sogar einige Finanzunternehmen wie Morgan Stanley Interesse zu zeigen. Der Grund hierfür liegt in der erwarteten Fähigkeit von Quantencomputern, Probleme der Kryptographie und multivariaten Optimierung zu lösen, die insbesondere bei der Analyse von Aktienkursen auftreten.
Anfang der 2010er Jahre argumentierten die optimistischsten Analysten, dass in den nächsten Jahren ein nützlicher Quantencomputer entstehen würde. Umsichtigere Spezialisten brauchten ein paar Jahrzehnte, um es zu schaffen. Um den Fortschritt in diesem Bereich irgendwie zu formalisieren und den Abschluss der Anfangsphase der Entwicklung anzuzeigen, schlug der Physiker John Preskill 2012 den Begriff „Quantenüberlegenheit“vor.
Quantenüberlegenheit tritt in dem Moment auf, in dem ein Quantencomputer eine Berechnung durchführen kann, die einer klassischen nicht zugänglich ist, unabhängig davon, ob das Ergebnis praktische Bedeutung hat.
Diese Formulierung ist ziemlich locker und lässt viele verschiedene Interpretationen zu. Es sagt beispielsweise nichts über die Vergleichsmethode oder das verwendete klassische Analogon aus.
Überlegenheit
Am 23. Oktober veröffentlichten Google-Mitarbeiter in der Zeitschrift Nature ein Paper, in dem es um das Erreichen der Quantenvorherrschaft geht. Die Forscher machten diese Aussage auf der Grundlage der Ergebnisse der Arbeit mit dem 53-Qubit-Sycamore-Prozessor, der ein sehr spezifisches Problem in 200 Sekunden lösen konnte, während die geschätzte Zeit für die Lösung auf dem leistungsstärksten modernen Summit-Computer 10 Tausend betragen sollte Jahre.
Die Herausforderung bestand darin, eine zufällige, aber bekannte Sequenz von Ein-Qubit- und Zwei-Qubit-Operationen durchzuführen, den resultierenden Zustand der Qubits in eine numerische Zeichenkette umzuwandeln und den Vorgang millionenfach zu wiederholen. Dadurch ist es möglich, eine Wahrscheinlichkeitsverteilung der Qubits in bestimmten Zuständen zu konstruieren, die wie eine Folge von Operationen aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Qubits nicht zufällig ist.
Diese Aufgabe ist eher technisch, ihre einzige mögliche Anwendung ist die Generierung von Zufallszahlen. Bemerkenswert ist auch, dass die Autoren aufgrund der vagen Formulierung der Quantenüberlegenheit ein relativ einfaches Problem für sich auswählen konnten, das gleichzeitig auf einem klassischen Computer schwer zu lösen ist.
Zwar gibt es Bemühungen, Algorithmen für klassische Computer zu optimieren, doch der Fortschritt auf diesem Gebiet hinkt der Entwicklung von Quantencomputern weit hinterher.
Dies wird einmal mehr durch die Aussage von IBM-Mitarbeitern bestätigt, die behaupten, dass die Task-Ausführungszeit für einen herkömmlichen Rechner deutlich überschätzt wurde und durch Optimierung sogar auf mehrere Tage reduziert werden kann.
Darauf antwortete Google, dass der von IBM-Mitarbeitern vorgeschlagene Algorithmus auffällige Abweichungen von der üblichen Funktionsweise von Supercomputern beinhalte, sodass ein echter Leistungstest erforderlich sei. Außerdem wurden die vom Quantenprozessor erhaltenen Daten bereits öffentlich zugänglich gemacht, was die Überprüfung sowohl durch IBM als auch durch andere Teams erleichtern wird.
Die physikalische Basis der Qubits in Googles Computer sind supraleitende Schaltkreise. Diese Option ist relativ einfacher zu erstellen, leidet jedoch unter ziemlich hohem Rauschen und Fehlern, die Berechnungen erschweren. Dies wurde zu einem zusätzlichen Argument für das gewählte Problem, da der Algorithmus zu seiner Lösung fehlerresistent ist und keiner Korrektur bedarf.
Folgen
Kurz nach der Veröffentlichung der Arbeit organisierten Google-Mitarbeiter eine Pressekonferenz, bei der Martinis und andere Teilnehmer des Experiments ihre Leistung kommentierten. Sie stellten fest, dass die Generierung von Zufallszahlen die erste praktische Anwendung eines Quantencomputers sein könnte. Wissenschaftler berichteten auch, dass sie bereits komplexere Experimente durchführen, insbesondere im Bereich der quantenchemischen Simulation von Molekülen.
Ihre Hauptaufgabe nannten die Autoren die Anziehungskraft einer großen Zahl von Forschern auf das von ihnen untersuchte Gebiet, für das sie offene Softwarebibliotheken erstellen. Eine motivierte Gemeinschaft von Wissenschaftlern soll dazu beitragen, in naher Zukunft geeignete praktische Anwendungen des Quantencomputers zu finden.
Martinis' Gruppe will innerhalb weniger Jahre Experimente mit etwa tausend Qubits beginnen. Dies wird es ermöglichen, basierend auf vielen physikalischen Qubits, das Verhalten einer kleineren Anzahl von logischen Qubits zu simulieren, deren Eigenschaften dem Ideal viel näher kommen. Insbesondere sollten ihre Fehler exponentiell kleiner sein.
Die Implementierung eines solchen Schemas wird ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Quantencomputer mit Fehlerkorrektur sein, der zur Lösung einer viel größeren Klasse von Problemen geeignet ist.
Auf die Frage nach einer möglichen Bedrohung der Sicherheit der Verschlüsselung antworteten Google-Mitarbeiter, dass für ein praktisch machbares Brechen eines kryptografischen Algorithmus, zum Beispiel RSA, etwa hundert Millionen physische Qubits benötigt würden.
Dies ist um ein Vielfaches mehr als in naher Zukunft erwartet, daher glauben Wissenschaftler, dass wir noch genügend Zeit haben, um quantenresistente Verschlüsselungsverfahren zu entwickeln und zu implementieren.
Martinis und seine Kollegen stellten auch fest, dass Spezialisten sowohl bei Google als auch in den USA und anderen Regierungen an kryptografischen Sicherheitsproblemen arbeiten, sodass man sich keine Sorgen um die Integrität der Kommunikation und digitalen Transaktionen machen muss, wenn ein so leistungsstarker Quantencomputer auf den Markt kommt.
