Google gab bekannt, ein Rechengerät aus 72 supraleitenden Qubits schaffen zu können – Quantenbits, die sich in einer Überlagerung vieler Zustände befinden können, also eine Vielzahl von Berechnungen parallel und gleichzeitig durchführen können. Das ist ein neuer Rekord: 2016 schuf das Google Quantum Lab unter der Leitung von John Martinis einen Quantencomputer, der nur aus neun supraleitenden Qubits (Josephson-Junction-Qubits) besteht. Der Professor des Karlsruher Instituts für Technologie Alexei Ustinov, Laborleiter am Russian Quantum Center und NUST MISIS, war zuvor an der Entwicklung des ersten supraleitenden Qubits in Russland beteiligt. Die N+1-Redakteure baten ihn, zu sagen, wofür genau der 72-Qubit-Quantencomputer interessant ist und welche Ziele er damit erreichen kann.
Martinis' Labor hat eine knifflige Sache gemacht: Sie kündigten an, dass sie eine Matrix von 7 mal 7 Qubits erstellen würden, und danach begann 7 mal 7 alles zu tun. IBM und Intel haben beispielsweise bereits solche Geräte hergestellt und werden derzeit getestet. Inzwischen hat Google ein 72-Qubit-Gerät auf den Markt gebracht.
Das Ziel des Quantenrennens in dieser Phase ist es, "Quantenüberlegenheit" zu demonstrieren, dh viele Qubits zu nehmen, mehrere Berechnungsschritte durchzuführen, einen komplexen Zustand zu erzeugen, der auf einem klassischen Computer nicht vorbereitet oder berechnet werden kann. Mit Hilfe eines Supercomputers am Deutschen Wissenschaftszentrum in Jülich konnte derzeit ein Gerät mit 46 Qubits berechnet werden. Außerdem ist zu bedenken, dass jedes nächste Qubit die Komplexität der Berechnungen verdoppelt.
Bevor jedoch Überlegenheit erreicht wird, müssen Methoden zur Fehlerkorrektur in Quantencomputern entwickelt und in der Praxis erprobt werden. Die Quantenzustände von Qubits sind sehr anfällig und werden durch verschiedene Arten von Interferenzen leicht zerstört, und je mehr Qubits, desto schwieriger ist es, das System im richtigen Zustand zu halten. Der beste Fehlerkorrekturalgorithmus für heute wurde vom Physiker Alexey Kitaev entwickelt, dies ist der sogenannte "torische Code".
Es besteht darin, dass die Qubits im Flugzeug gestaffelt sind, während die "weißen Zellen" Qubits sind, die verwendet werden, um logische Operationen durchzuführen, und die "schwarzen" verwendet werden, um Fehler zu kontrollieren. Das heißt, ein "schwarzes" Qubit, das sich zwischen zwei "weißen" befindet, prüft die Parität der Zustände. Tritt auf einer Seite ein Fehler auf, dann ändert sich die Parität dieses Qubits und es wird klar, dass ein Fehler aufgetreten ist. Nur wenn der Fehler von beiden Seiten gleichzeitig aufgetreten ist (was sehr unwahrscheinlich ist), wird das Qubit den Fehler nicht bemerken.
Dieses Prinzip nutzte die Martinis-Gruppe in ihrem Gerät für neun supraleitende Qubits – es gab vier „funktionierende“Qubits und fünf weitere dienten der Fehlererkennung. Wenn Sie das Schachbrett größer machen, können Sie Fehler nicht nur der ersten Ebene, sondern auch der zweiten Ebene im Handumdrehen korrigieren, dh wenn wir einen Fehler korrigiert haben, und dann überprüfen wir den Bereich dieses Schachbretts für Parität einer größeren Größe.
Der Algorithmus von Kitaev ermöglicht es Ihnen, eine solche Verschachtelung einzelner Bereiche ineinander zu verwenden, Fehler zu überprüfen und diese entsprechend zu korrigieren.
Nach theoretischen Annahmen wird die Anzahl der Qubits, die alle möglichen Fehler beseitigen können, endlich sein, d. h. es kann ein Quantencomputer geschaffen werden, der korrekt arbeiten kann. Es bleibt, diese Annahmen in der Praxis zu beweisen.
Bei dem Gerät, das Martinis und seine Kollegen gebaut haben, ist von einem Beweis der Quantenüberlegenheit noch keine Rede. Sie hoffen zu zeigen, dass dieses logische Qubit, das aus vielen physikalischen Qubits zusammengesetzt ist, den gewünschten Quantenzustand länger aufrechterhalten kann als jedes dieser einzelnen Qubits. Wenn ihnen das gelingt, ist das ein Fortschritt, es wird zeigen, dass es prinzipiell Hoffnung gibt, einen selbstkorrigierenden Quantencomputer zu bauen.
Natürlich können diese Multi-Qubit-Geräte jetzt für Berechnungen verwendet werden, um Ergebnisse zu erhalten, die auf einem klassischen Computer unmöglich sind, aber der Nutzen daraus ist aufgrund der hohen Fehlerquote gering.
Damit ein solches System erfolgreich funktioniert, muss es auf jeden Fall tausendfach erhöht werden, d. h. Geräte aus Zehntausenden von physischen Qubits zusammensetzen, um ein Dutzend logische zu erhalten. Technisch ist dies nicht sehr schwierig, denn supraleitende Qubits an Josephson-Kontakten lassen sich millionenfach herstellen, sie werden nach den gleichen Prinzipien wie Halbleiterprozessoren hergestellt.
Aber Sie müssen eine Architektur bauen und testen, die es Ihnen ermöglicht, Qubit-Fehler zu korrigieren und sie tatsächlich für Berechnungen zu verwenden. Das machen jetzt das Martinis-Labor und seine Konkurrenten.
