Hinter Googles „100 Millionen Mal schneller“: Wie wird Quantencomputing erreicht?
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Vor Kurzem hat Google den Quantencomputer D-Wave auf den Markt gebracht, der angeblich Probleme 100 Millionen Mal schneller lösen kann als jeder andere Computer. Manche Leute glauben, dass Google nur einen kommerziellen Hype betreibt, um Aufmerksamkeit zu erregen. andere wiederum sind der Meinung, dass die Entwicklung eines Quantencomputers durch Google ein großer technologischer Fortschritt sei. Am selben Tag berichteten russische Medien, dass „China mithilfe eines Diamanten den ersten Quantencomputer der Welt gebaut hat … Die Genauigkeit des Quantenlogikgatters erreichte 99,99 %. Dieses Ergebnis stellt die weltweit höchste Genauigkeit bei der Quantenmanipulation von Festkörper-Spinsystemen dar.“ Welcher ist also der erste Quantencomputer der Welt, Googles D-Wave oder Chinas diamantbasierter Quantencomputer? Die Grundlagen des Quantencomputings Quantencomputing ist eine neue Art des Rechnens, die auf Quanteneffekten basiert. Das Grundprinzip besteht darin, Quantenbits als Basiseinheit für die Kodierung und Speicherung von Informationen zu verwenden und Rechenaufgaben durch die kontrollierte Entwicklung einer großen Anzahl von Quantenbits zu erledigen. Ein Qubit ist ein physikalisches System mit zwei Quantenzuständen. Beispielsweise können die beiden Polarisationszustände von Photonen, die beiden Spinzustände von Elektronen, die beiden Energieniveaus von Ionen (Atomen) usw. alle die beiden Zustände eines Qubits bilden. Ein Transistor hat nur einen Ein-/Aus-Zustand, das heißt, er befindet sich entweder im Zustand 0 oder im Zustand 1. Basierend auf dem Prinzip der Quantensuperposition kann sich ein Qubit gleichzeitig im Zustand 0 und im Zustand 1 befinden. Wenn sich der Zustand des Quantensystems ändert, kann sich jeder überlagerte Zustand ändern. Da beispielsweise ein Quantenbit gleichzeitig 0 und 1 darstellen kann, können zwei solcher Quantenzustände gleichzeitig vier Zustände darstellen. N Qubits können N Daten gleichzeitig speichern, und die Datenmenge wächst exponentiell mit N. Gleichzeitig kann ein Quantencomputer in einem Vorgang 2 hoch N Daten gleichzeitig transformieren. Diese Fähigkeit zur parallelen Datenverarbeitung entspricht der Leistung eines elektronischen Computers, der 2 hoch N Operationen ausführt. Dies entspricht der parallelen Verarbeitung von 2 hoch N Daten in einer einzigen Evolution. Dies ist der Vorteil von Quantencomputern gegenüber klassischen Computern. China hat keinen Quantencomputer auf Diamantbasis gebaut Chinesische Wissenschaftler haben keinen Quantencomputer aus Diamanten gebaut. Stattdessen wird ein Kohlenstoffatom im Diamanten durch ein Stickstoffatom ersetzt und eine freie Stelle neben dem Stickstoffatom hinzugefügt, um eine NV-Farbzentrumstruktur zu bilden, die zum Träger der Single-Spin-Festkörper-Quantencomputer wird. (NV-Farbzentrum) Das ungepaarte Elektron in der Leerstelle des NV-Farbzentrums weist die Eigenschaft von Spin 1 auf. Wenn das NV-Farbzentrum durch grünes Licht von 532 nm angeregt wird, kann es rote Fluoreszenz emittieren, und die Nullphononenlinie der Fluoreszenz liegt bei 637 nm. Nach der Anregung durch einen 532-nm-Laser kann das NV-Farbzentrum mit einer Wahrscheinlichkeit von über 90 % in seinen Ausgangszustand zurückversetzt werden und die Forscher können seinen Zustand durch Mikrowellen und Radiofrequenzen manipulieren. (Kristallstruktur und Energieniveaustruktur) Verglichen mit Quantenpunkten und supraleitenden Systemen sind die Kohärenzeigenschaften der Elektronenspins von NV-Farbzentren sehr gut – Quantenkohärenz ist die Voraussetzung für Quantencomputer, und Quantencomputer müssen Quantenkohärenz verwenden, um Berechnungen durchzuführen, aber jedes Quantenbit ist sehr zerbrechlich und kann durch die Umgebung leicht dekohärenzt werden, wodurch die Quantenkohärenz verloren geht und die Dekohärenzgeschwindigkeit mit der Ausdehnung des Systems exponentiell zunimmt. Je mehr Quantenbits vorhanden sind, desto schneller ist die Dekohärenzgeschwindigkeit. Die Verwendung von NV-Farbzentren hat die folgenden Vorteile: Erstens ist die Technologie zur Implantation von Stickstoffionen in Diamant durch Ionenstrahlimplantation zur Bildung einer NV-Farbzentrumsstruktur ausgereift. Das zweite ist das Single-Spin-Quantenbit. Anders als bei Methoden wie NMR, die den Ensemblespin als Forschungsobjekt verwenden, ist das Forschungsobjekt des NV-Farbzentrumsystems der Spin eines einzelnen Elektrons. Der dritte Grund sind stabile Fluoreszenzeigenschaften und Einzelphotonen-Emissionsquellen. Bei längerer Einwirkung von starkem Licht kann das NV-Farbzentrum weiterhin eine stabile Fluoreszenz aussenden. Viertens die idealere Dekohärenzzeit. Bei ultrareinen Proben kann dies sogar im Millisekundenbereich erreicht werden. Fünftens kann die Initialisierung und das Auslesen von Single-Spin-Quantenbits mithilfe des einfach zu implementierenden Konfokalsystems erfolgen. Sechstens können Quantenzustände bei Raumtemperatur vorbereitet, manipuliert und ausgelesen werden. Die experimentellen Bedingungen der meisten anderen Alternativen sind relativ hart (beispielsweise hat der Niedertemperatur-Supraleiter von Google D-Wave sehr strenge Temperaturanforderungen) und die technischen Manipulationsindikatoren sind sehr hoch. Das Experiment kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, was die Durchführbarkeit des Experiments erheblich verbessert. Um Quantencomputing zu realisieren, müssen mindestens folgende Voraussetzungen erfüllt sein: Der Quantencomputer muss über identifizierbare und wohldefinierte Quantenbits verfügen. Quantenbits können in physikalische und logische Bits unterteilt werden. Durch den Fehlerkorrekturcodeprozess werden mehrere physikalische Bits redundant gemacht und schließlich ein logisches Bit generiert. Das logische Bit weist gute Fehlertoleranzeigenschaften auf. Quantencomputer müssen in der Lage sein, einen zuverlässigen Anfangszustand herzustellen. Quantencomputer müssen schwache Dekohärenzeffekte aufweisen. Quantencomputer müssen in der Lage sein, präzise Quantengatteroperationen durchzuführen. Die Betriebsgenauigkeit des Niedertemperatur-Supraleitungssystems von Google ist weit entfernt von der für Quantencomputer erforderlichen Einzelbit-Gate- und Doppelbit-Namensgenauigkeit. Quantencomputer müssen einen sehr starken Quantenmessmechanismus etablieren. Das NV-Farbzentrensystem erfüllt alle oben genannten Punkte – das NV-Farbzentrensystem enthält ein Elektronenspinsystem mit Spin 1 und mehrere Kernspins, die alle als Quantenbits verwendet werden können; die Elektronenspins im NV-Farbzentrumsystem können durch Laseranregung in den Ausgangszustand gebracht werden, und die Kernspins um dieses System können durch dynamische Kernpolarisation oder Polarisationstransfer mit hoher Genauigkeit in den Ausgangszustand gebracht werden; In ultrareinen Diamanten mit einem Stickstoffgehalt von weniger als 5×10^-9 (Massenanteil) beträgt die Dekohärenzzeit des Elektronenspins des NV-Farbzentrums mehrere hundert Mikrosekunden und die Dekohärenzzeit des Kernspins mehrere hundert Mikrosekunden. Die Kohärenzzeit beträgt mehrere zehn Millisekunden, und nach der Reinigung der Kernspins um die Elektronenspins des NV-Farbzentrums kann die Dekohärenzzeit des Elektronenspins mehrere Millisekunden oder sogar länger betragen. Verglichen mit der Geschwindigkeit einer einzelnen Quanten-NOT-Gatter-Operation, die GHz erreichen kann, reicht dies aus, um die hohe Präzision des Quantencomputings sicherzustellen. Derzeit kann die Genauigkeit einer einzelnen Quantengatteroperation des NV-Farbzentrumsystems mehr als 99,99 % erreichen (was der neueste technologische Durchbruch ist, über den die russischen Medien berichteten). Die Einzelschussmessung einzelner Elektronen- und einzelner Kernspins im NV-Farbzentrumsystem wurde realisiert. Wenn Sie das nicht verstehen, schauen Sie sich einfach die Schlussfolgerung an – daher erfüllt das NV-Farbzentrumsystem die grundlegendsten Anforderungen, um ein Quantencomputerträger zu werden und ist ein hervorragender Kandidat für einen Quantencomputerträger. Die neuesten wissenschaftlichen Forschungsergebnisse der Forschungsgruppe von Du Jiangfeng, über die russische Medien berichteten, haben eine sehr hohe Betriebsgenauigkeit unter Verwendung herkömmlicher Fehlerkorrekturcodes erreicht und die Genauigkeit von Quantenlogikgattern hat 99,99 % erreicht. Seine Einzelbit-Gattergenauigkeit erfüllt die Anforderungen fehlertoleranter Computer. Um einen Quantencomputer zu bauen, besteht der nächste Schritt darin, das System so zu erweitern, dass Hunderte oder Tausende von logischen Bits die für fehlertolerantes Computing erforderliche Genauigkeit erreichen können. Dann kann Quantencomputing realisiert werden. Allerdings ist die Erweiterung des Systems äußerst schwierig und bis zum Bau eines Quantencomputers ist es noch ein weiter Weg. Obwohl Du Jiangfengs Forschungsgruppe entscheidende technologische Durchbrüche erzielte, ist der Bericht der russischen Medien, dass „chinesische Wissenschaftler den weltweit ersten Quantencomputer auf Diamantbasis gebaut haben“, offensichtlich übertrieben. Ist Googles „100 Millionen Mal schneller“ zuverlässig? Ein Standard-Quantencomputer ist ein Universalcomputer, der ähnlich wie ein klassischer Computer eine Vielzahl von Algorithmen ausführen kann. Seine Schaltkreise entsprechen dem Turingmaschinenmodell und die verschiedenen Funktionen einer Turingmaschine können mithilfe von Schaltkreisen implementiert werden, die aus einfachen Gattern bestehen. Auch der Standard-Quantencomputer verfügt über ein solches Konzept. Es besteht aus einer Reihe grundlegender Logikgatter zur Realisierung von Quantenschaltkreisen und realisiert dann verschiedene Algorithmusfunktionen. Diese Art von Quantencomputer wird als universeller Quantencomputer bezeichnet, während der Quantencomputer von Google nicht über das Konzept von Gattern verfügt, das Quantencomputern entspricht. Was ist also mit der Behauptung von Google, es könne „Probleme 100 Millionen Mal schneller lösen als jeder andere Computer“? Der Begriff des Glühens stammt ursprünglich aus der Metallverarbeitungstechnik. Dabei wird das Metall auf einen Punkt oberhalb der Rekristallisationstemperatur erhitzt, diese Temperatur für eine gewisse Zeit gehalten und anschließend langsam abgekühlt. D-Wave von Google ist eine Quanten-Annealing-Maschine, die die Ähnlichkeit zwischen Quantenfeldern und einem Optimierungsalgorithmusraum nutzt, um den Optimierungsraum direkt am Punkt der niedrigsten Energie der Materie zu simulieren, anstatt am mathematisch niedrigsten Punkt. Da die Quantenmechanik auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene unterschiedlich ist, kann sie einige potenzielle Barrierestrukturen durchdringen. Wenn es beispielsweise eine 5 Meter hohe und 0,1 Meter dicke Wand gibt, sind zum Überklettern nicht weniger Fähigkeiten erforderlich als die der PLA. Auf der Ebene der Quantenmechanik besteht jedoch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass normale Menschen direkt durch Wände gehen können. Wenn Sie auf der klassischen Ebene herkömmliche Computer zur Simulation verwenden, müssen Sie ehrlich gesagt die Wand hochklettern. Aus diesem Grund verfügt der Quanten-Annealing-Algorithmus von D-Wave über eine enorme Beschleunigung und behauptet, er sei 100 Millionen Mal schneller. Mit anderen Worten: Der Quantencomputer von Google ist lediglich ein Computer, der spezielle Algorithmen für bestimmte Links ausführt. Der Annealing-Algorithmus von Google kann bei bestimmten Links und Anwendungen herkömmliche Computer übertreffen, er ist jedoch nicht universell. Die sogenannte 100 Millionen Mal schnellere Methode als herkömmliche Computer besteht darin, einen speziell ausgewählten optimierten Algorithmus für ein bestimmtes Problem mit dem Simulated-Annealing-Algorithmus auf einem herkömmlichen Computer mit unbekannter Konfiguration zu vergleichen. Zwar ist nicht ausgeschlossen, dass Google D-Wave bei bestimmten Verbindungen und Anwendungen Vorteile gegenüber herkömmlichen Computern bietet. Allerdings ist D-Wave nicht universell einsetzbar und die Betriebsgenauigkeit supraleitender Systeme genügt bei weitem nicht den Anforderungen der Quanteninformatik. Daher ist D-Wave kein echter Quantencomputer. Tatsächlich gab ein Forschungsteam unter der Leitung der Professoren Martinis und Lidar von der University of California, darunter auch Forscher von Google, am 13. Januar 2014 offiziell bekannt, dass experimentelle Daten zum 503-Qubit-Quantencomputer D-WaveTwo keinerlei Hinweise auf eine Quantenbeschleunigung zeigten. Der MIT-Informatiker und Quantencomputer-Experte Scott Aaronson hält D-Wave für einen Meister des Hypes und glaubt, dass sich auch dann nichts ändern werde, wenn D-Wave einen sogenannten 1.000-Bit-Quantencomputer auf den Markt bringen würde, weil der Vorteil der Quantenbeschleunigung dann prinzipiell nicht mehr gegeben sei. Obwohl nicht ausgeschlossen ist, dass D-Wave in bestimmten Bereichen eine Rolle spielen könnte, besteht der Verdacht auf kommerziellen Hype, wenn man eine Quanten-Annealing-Maschine, die überhaupt kein Quantencomputer ist, mit einem herkömmlichen Computer vergleicht, um einen bestimmten Algorithmus zu simulieren, und dann behauptet, sie sei „100 Millionen Mal schneller als jeder andere Computer“. Einige inländische Medien, die nur Aufmerksamkeit erregen wollen, aber nicht die Wahrheit sagen wollen, haben Gerüchte verbreitet, dass „Google erfolgreich einen Quantencomputer gebaut hat“, und so D-Wave ein wenig kommerziellen Hype verliehen. Ist Diamant ein zu luxuriöses Material? Manche Internetnutzer sind der Meinung, Diamanten seien zu teuer, um als Baustoff verwendet zu werden. Tatsächlich ist der hohe Preis von Diamanten jedoch ausschließlich auf Monopolgruppen wie die De Beers Group zurückzuführen, die die Preise künstlich in die Höhe treiben, um enorme Gewinne zu erzielen. Anfangs kontrollierten sie die Gewinnverteilung und den Preis der Diamanten fest, indem sie die Herkunft, die Vertriebswege, die Verarbeitung und andere Zusammenhänge kontrollierten. Als Russland begann, Diamanten in großen Mengen zu verkaufen und die Herkunft nicht mehr kontrollieren konnte, kontrollierte es die industrielle Kette weiterhin durch Markenbildung, Marketing, Vertriebskanäle, Verarbeitung, Zertifizierung und andere Mittel. Dadurch wurde es russischen Diamanten unmöglich, die Interessen internationaler Monopolgruppen zu beeinflussen und den Preis für Diamanten weiter in die Höhe zu treiben. Als jedoch die Technologie für künstliche Diamanten ausgereifter wurde und die Qualität nicht schlechter oder sogar besser war als die von natürlichen Diamanten, begannen die internationalen Monopolgruppen, künstliche Diamanten herabzuwürdigen und natürliche Diamanten zu loben. Tatsächlich steht China bei der Produktion künstlicher Diamanten seit langem an erster Stelle der Welt und macht 90 % der weltweiten Produktion aus. Einerseits besteht eine enorme Marktnachfrage; Andererseits werden Geräte und Verfahren wie die Sechsseitenpresse und die chemische Gasphasenabscheidung mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten allmählich ausgereifter. Statistiken zufolge betrug Chinas Jahresproduktion an künstlichen Diamanten im Jahr 2015 fast 10 Milliarden Karat, was einer jährlichen Wachstumsrate von 21,45 % entspricht. Chinas Gesamtexporte an synthetischen Diamanten haben sich im letzten Jahrzehnt mehr als 14-mal erhöht und die Vereinigten Staaten sind der größte Exportmarkt für Chinas synthetische Diamanten. Diesem Entwicklungstrend zufolge könnten die Kosten für künstliche Diamanten bei einer weiteren Ausweitung der Produktion weiter sinken. Darüber hinaus sind die Materialkosten für künstlichen Diamanten im Vergleich zu Niedertemperatur-Supraleitermaterialien, die sehr strenge Temperaturanforderungen haben, nicht mehr so „luxuriös“, wie manche Leute meinen. Abschluss Der Grund, warum Google eher Quanten-Annealing als herkömmliche Quantencomputer untersucht, liegt darin, dass die Betriebsgenauigkeit supraleitender Systeme bei weitem nicht den Anforderungen des Quantencomputings entspricht. Gleichzeitig kann Google mit Hilfe der relativ ausgereiften supraleitenden Elektroniktechnologie in supraleitenden Systemen problemlos eine große Zahl von Quantenbits integrieren. Die Wahl dieses Weges bedeutet allerdings auch, dass es für Google keine Möglichkeit gibt, die Quanten-Annealing-Maschine zu „upgraden“ und einen Quantencomputer zu schaffen. Die Festkörper-Quantencomputer der Forschungsgruppe von Du Jiangfeng auf Basis des Diamantsystems haben ein neues System geschaffen, dessen NV-Farbzentrum jedoch weit weniger integrierbar ist als Quantenpunktsysteme und supraleitende Systeme, und bis zum Bau eines echten Quantencomputers ist es noch ein langer Weg. Daher handelt es sich bei Ersterem überhaupt nicht um einen Standard-Quantencomputer, und obwohl bei Letzterem wichtige technologische Durchbrüche erzielt wurden, wird es noch einige Zeit dauern, bis ein echter Quantencomputer gebaut ist. Als Gewinner des Qingyun-Plans von Toutiao und des Bai+-Plans von Baijiahao, des Baidu-Digitalautors des Jahres 2019, des beliebtesten Autors von Baijiahao im Technologiebereich, des Sogou-Autors für Technologie und Kultur 2019 und des einflussreichsten Schöpfers des Baijiahao-Vierteljahrs 2021 hat er viele Auszeichnungen gewonnen, darunter den Sohu Best Industry Media Person 2013, den dritten Platz beim China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, den Guangmang Experience Award 2015, den dritten Platz im Finale des China New Media Entrepreneurship Competition 2015 und den Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018. |
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