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Es ist nur eine Frage der Zeit, bis Quantencomputer anfangen, Probleme der realen Welt zu lösen

Auf diesem Foto untersucht IBM-Wissenschaftler Stefan Filipp den kryogenen Kühlschrank, der dafür sorgt, dass die Qubits nicht so heiß sind wie die tiefsten Teile des Weltraums.
In Zusammenarbeit mit Kollegen des IBM TJ Watson Lab in New York bauen IBM Wissenschaftler in Zürich, Schweiz, ein eigenes Quantenforschungslabor auf. Auf diesem Foto untersucht IBM-Wissenschaftler Stefan Filipp den kryogenen Kühlschrank, der dafür sorgt, dass die Qubits bei Temperaturen kälter sind als die tiefsten Teile des Weltraums. (Foto: IBM Research)

Googles Sycamore 53-Qubit-Quantenmaschine hat die Türen zu einer neuen Ära des Rechnens geöffnet.

Nein, Quantencomputer sind nicht erwachsen geworden Googles Bergahorn, ein 53-Qubit-Computer, der in 200-Sekunden ein Problem löst, das selbst bei einem Supercomputer 10,000-Jahre in Anspruch nehmen würde. Stattdessen ist es der erste Schritt, der zeigt, dass eine funktionale Berechnung mit einem Quantencomputer durchgeführt werden kann und tatsächlich eine spezielle Klasse von Problemen viel schneller löst als herkömmliche Computer. Das ist nicht so, dass Quantencomputer jetzt klassische Computer abgelöst haben. Der Hype der Quantenüberlegenheit ist irreführend, da er auf einer sehr engen Definition der Quantenüberlegenheit beruht. Quantenüberlegenheit ist ein Quantencomputer, der alle klassischen Computer für eine speziell konstruierte Aufgabe besiegt.

Die schlechte Nachricht - für die Science-Fiction-Enthusiasten - ist, dass es unsere aktuellen Computer nicht ersetzen wird, sondern nur für eine bestimmte Klasse von Problemen nützlich sein wird. Seine Konstruktion erfordert Bedingungen wie extrem niedrige Temperaturen, die nur in einer speziellen Umgebung erzeugt werden können. Wir werden es nicht auf unseren Ärmeln tragen oder auf unseren Handys verwenden. Zumindest noch nicht und nicht mit der heutigen Physik! Und unsere Verschlüsselungsalgorithmen, auf denen alle unsere Internetprotokolle und die weltweiten Finanztransaktionen basieren, sind zumindest vorerst sicher.

Dennoch ist dies ein großer Schritt nach vorne, in dem Nationen und Unternehmen Milliarden ausgeben, in der Überzeugung, dass dies Bereiche von Berechnungen erschließen wird, die für den Moment geschlossen sind. Dies ist das erste Beispiel, bei dem ein bestimmtes Problem gelöst wurde, auch wenn es sich um ein ganz bestimmtes Problem handelt, das speziell für das Quantencomputing entwickelt wurde. Solche Probleme könnten auf die reale Welt ausgedehnt werden: Sie könnten darin bestehen, neuartige Materialien, neue Medikamente zur Bekämpfung von Autoimmunerkrankungen und verschiedene Arten von Krebs zu entwickeln. Diese Erkenntnisse könnten das Verständnis der Menschheit für die besten Baumaterialien für den Weltraum in Frage stellen oder einen Einblick in Heilmittel für eine Reihe von Krankheiten geben, die wir noch nicht behandeln können.

Die Quantenüberlegenheit wurde von Kryptographen mit Furcht beobachtet. Weltweit funktionieren alle Internetprotokolle, Finanztransaktionen und blockchain-basierten Systeme (z. B. Bitcoin) über Kryptografie. Mit Quantencomputern lassen sich alle gängigen Kryptografien einschließlich der populären RSA Private-Public-Key-Systeme würden leicht kaputt gehen, ein wahrer Albtraum für Nationalstaaten und Finanzakteure, die sich auf solche Verschlüsselungssysteme verlassen. Natürlich können neue Systeme geschaffen werden, die solchen Quantenwerkzeugen standhalten, jedoch mit enormen Kosten.

Es scheint, dass ein Forscher der NASA versehentlich einen Entwurf einer Studie geladen hat Papier vom Google-Team in den NASA-Server für technische Dokumente. Zufällig durchsucht Google Scholar routinemäßig solche Server und benachrichtigt Quantenforscher weltweit über die Existenz dieses Papiers. Es war Google, der Googles unveröffentlichte Zeitung outete!

Das Papier „Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor“ von AI Quantum und Mitarbeitern von Google als Autoren wurde jetzt vom NASA-Server entfernt, aber die Katze ist aus der Tasche.

Wie unterscheidet sich ein Quantencomputer von einem herkömmlichen?

Alle unsere alltäglichen Computer - „klassische Computer“ - speichern Informationen in Bits, die entweder als 0 oder 1 vorliegen (False = 0, True = 1). Der Quantencomputer hat Quantenbits - Qubits -, die gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen existieren, wobei das Quantenphänomen der Überlagerung verwendet wird. Dies ermöglicht es einem Quantencomputer, viel mehr Zustände und damit viel mehr Informationen zu haben als ein klassischer Computer.

Der zweite Unterschied zwischen den klassischen Computerbits und den Qubits besteht darin, dass Quantenphänomene eine andere Eigenschaft haben, nämlich die der Verschränkung. Jedes der Qubits ist mit anderen Qubits verstrickt, was zu viel mehr möglichen Zuständen führt, in denen sie zusammen sein können, als jedes von ihnen einzeln sein könnte. Mit anderen Worten, die gleiche Anzahl von Qubits kann eine viel größere Anzahl von Möglichkeiten bewältigen als klassische Bits und daher eine bestimmte Klasse von Problemen viel schneller berechnen. Und das Schöne an solchen Berechnungen ist, dass die Größe des Problems keine Rolle spielt: Die Qubits, die zusammenarbeiten, zermahlen die größeren Probleme fast so schnell wie kleinere Probleme.

Die Gesetze der Physik in der subatomaren Welt - die Quantenphysik - unterscheiden sich von der uns bekannten Alltagsphysik. Die Möglichkeit eines Quantencomputers, der zuerst von Professor Richard Feynman vorgeschlagen wurde, bestand darin, dass ein Computer, der auf Quantenprinzipien basiert, Quantenweltprobleme in Physik und Chemie lösen würde. Das heißt, wenn wir versuchen, Quantenphänomene auf Rechenmaschinen zu simulieren, besteht die einzige Möglichkeit, die Quantenwelt in angemessener Zeit zu berechnen, darin, die Maschinen selbst auf Quantenphänomenen, dh Quantencomputern, aufzubauen. Es war im Wesentlichen ein Gedankenexperiment von Feynman, um zu zeigen, warum Quantensimulationen auf Computern, die auf der klassischen Physik basieren, in der Quantenphysik nicht funktionieren würden.

Warum arbeiten die auf der klassischen Physik basierenden Maschinen nicht mit Quantenphänomenen? Einfach ausgedrückt, würden die Berechnungen solcher Systeme exponentiell mit der Größe des Systems wachsen - oder wie weit in Zukunft der Zustand des zu berechnenden Systems ist. Jeder Versuch, die zukünftigen Zustände in der Quantenwelt zu verstehen, hat keine endgültigen Antworten, sondern eher Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Genau so liefert ein Quantencomputer seine Ergebnisse.

Während die Quantencomputer aufgrund der Natur der Quantenphänomene und der extremen Umgebung - nahe Null -, in der die Qubits existieren, einen Vorteil bei der Behandlung einer großen Klasse von Problemen haben, erzeugt jede kleine Änderung oder Störung in der Umgebung Rauschen, was dies bedeutet führt Fehler in die Berechnungen ein. Ein Quantencomputer benötigt daher einen Fehlerkorrekturmechanismus, effektiv zusätzliche Qubits für diese Aufgabe. Da die Qubit-Umgebung sehr schwierig ist, kann dies eine ziemlich große Anzahl von Qubits zur Fehlerkorrektur erfordern. Übrigens muss auch die gesamte digitale Kommunikation, auch innerhalb klassischer Computer, fehlerbereinigt werden. Die Frage ist hier, wie viele Qubits wir für die Fehlerkorrektur reservieren müssen.

Klassische Computer werden nicht durch Quantencomputer ersetzt. Sie sind eine ergänzende Technologie. Sie befassen sich mit einer anderen Klasse von Problemen als klassische Computer, insbesondere mit solchen, die sich eher mit Wahrscheinlichkeiten als mit bestimmten Lösungen befassen. Dies sind auch die Probleme, die von klassischen Computern zumindest in einem angemessenen Zeitrahmen nicht gelöst werden können.

Was nützt eine solche Maschine? Schauen wir uns die Kehrseite an. Charles BabbageDer „Vater der Computer“ hatte Maschinen mit mechanischen Geräten verwendet, die zur Lösung mathematischer Probleme programmiert werden konnten. Die Technologie, verschiedene mechanische Geräte, konnten einzelne Rechenoperationen nach einem „Programm“ ausführen und Probleme lösen, die von Hand schwer zu lösen waren. Aber sie waren zu teuer und umständlich zu laufen. Es sind die Babbage-Maschinen, die sich jetzt in echte Computer verwandelt haben, nachdem wir die Technologie der Vakuumröhren und später der elektronischen Schaltungen beherrschen. Es dauerte ungefähr hundert Jahre. Die aktuellen Qubit-Technologien sind analog zu Babbage-Maschinen. Die Zukunft wird also beides kombinieren: eine Kombination aus klassischen und Quantenprozessoren, so dass ein Problem in seine klassischen und Quantenteile unterteilt werden kann.

Derzeit haben alle Regierungen ein großes Interesse daran, ihre digitale Infrastruktur zu hacken und zu nutzen Quantenkommunikation für diesen Zweck. Kein Land kann zurückgelassen werden, zumindest wenn es geopolitische Bestrebungen hat - aber im Moment sind nur die USA und China ernsthafte Akteure auf dem Gebiet.

Die USA sind derzeit mit Google dem Spiel voraus. IBM baut 50-Qubit Architektur und andere dicht dahinter. D-Wave Systems, ein kanadisches Unternehmen, verfügt über ein funktionierendes 2,048-Qubit-System und baut eine Menge auf größere 5,000-Qubit-Maschine. Diese können jedoch nur eine bestimmte Klasse von Problemen lösen und sind keine programmierbaren Allzweck-Quantencomputer, die andere bauen. Die Chinesen sind hinter den USA und ihren Firmen im Quantencomputer-Rennen, haben es aber geschafft eine funktionale 18-Qubit-Verschränkung, ein anderer Ansatz für Quantencomputer und a 24-Qubit-Maschine. China scheint viel mehr Forscher auf diesem Gebiet zu haben, und auch a größere Anzahl von Patenten und Forschungsarbeiten. Alle anderen Länder, die sich mit Quantencomputern befassen, einschließlich der Europäischen Union und Indien, geben nur einen Bruchteil dessen aus, was die USA und China ausgeben.

Googles neueste Übung hat Quantum Computing - oder eine Technologie, die Ungewissheit birgt - an unsere Tür geklopft. Wann und wie es eintreten wird, ist noch abzuwarten. Es geht aber nicht mehr darum, ob, sondern wann.


Dieser Artikel wurde in Zusammenarbeit von erstellt Newsclick und Weltenbummler, ein Projekt des Independent Media Institute.

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Prabir Purkayastha

Prabir Purkayastha ist der Gründer und Chefredakteur von Newsclick. Er ist Präsident der Free Software Movement of India, Ingenieur und wissenschaftlicher Aktivist.

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1 Kommentare

  1. Larry N Stout 10. Oktober 2019

    Eine langfristige Zukunft für Homo Sapiens lässt sich leider nicht berechnen.

    antworten

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