„Zu Chongzhi No. 3“ ist erschienen! Wie nahe sind wir dem Einsatz von Quantencomputern?

Kürzlich ist chinesischen Wissenschaftlern ein bedeutender Durchbruch auf dem Gebiet der supraleitenden Quantencomputer gelungen. Sie haben erfolgreich den supraleitenden Quantencomputer-Prototyp „Zu Chongzhi Nr. 3“ mit 105 Quantenbits gebaut und durch das Random Circuit Sampling (RCS)-Experiment erneut den Rekord der Überlegenheit im Quantencomputerbereich aufgefrischt. Die Geschwindigkeit der Verarbeitung des Problems der „Quantum Random Circuit Sampling“ ist eine Billion Mal schneller als die des schnellsten Supercomputers der Welt. Diese Errungenschaft wurde offiziell als Titelartikel in der international renommierten Physikzeitschrift Physical Review Letters (PRL) veröffentlicht.

Wie schnell ist eine Billiarde Mal schneller? Was bedeutet Überlegenheit im Quantencomputing? Was bedeutet dieser Fortschritt von „Zu Chongzhi Nr. 3“? Wie nahe sind wir dem Einsatz von Quantencomputern? Schauen wir uns das genauer an.

(Supraleitender Quantencomputer, urheberrechtlich geschütztes Bild aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

1. Wie groß ist der Durchbruch von „Zu Chongzhi Nr. 3“?

Quanten haben einen Superpositionszustand, was bedeutet, dass jedes Quantenbit zwei Zustände gleichzeitig kodieren kann. Da die Zahl der Quantenbits weiter zunimmt, steigt die Zahl der Zustände, die ein Quantensystem kodieren kann, exponentiell an.

Vergleicht man einen Quantenprozessor mit einem Superhirn, dann entsprechen Quantenbits den Neuronen im Gehirn. Je größer die Anzahl der Neuronen, desto komplexer und umfangreicher sind die Informationen, die das Gehirn verarbeitet, was bedeutet, dass es schwierigere Probleme lösen kann.

Schematische Darstellung des Chips „Zu Chongzhi Nr. 3“.

Bildquelle: Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

„Zu Chongzhi Nr. 3“ verfügt über 105 Quantenbits und kann 2 hoch 105 Zustände kodieren. Im Vergleich zur Vorgängergeneration „Zu Chongzhi Nr. 2“ mit 66 Quantenbits unterscheidet sich die Größe des kodierten Zustandsraums der beiden um etwa das 500-Milliarden-Fache. Natürlich handelt es sich hierbei nur um eine Lücke im Codierungsraum. Bei der Messung der Lücke in der tatsächlichen Rechenleistung muss auch die Genauigkeit der Quantengatteroperationen und des Lesens berücksichtigt werden.

„Treue“ ist ein sehr wichtiges Konzept im Quantencomputing. Einfach ausgedrückt ist die Wiedergabetreue wie die „Genauigkeit“ von Quantenoperationen, die verwendet wird, um die Ähnlichkeit zwischen tatsächlichen und idealen Operationen zu messen. Je höher die Genauigkeit, desto näher liegt die tatsächliche Quantenoperation am Idealzustand und desto kleiner ist der Fehler.

Der Quantencomputer „Zu Chongzhi Nr. 3“ hat bei drei Schlüsselindikatoren eine hohe Wiedergabetreue erreicht: Die Wiedergabetreue des parallelen Einzelbit-Gatters erreicht 99,90 %, die Wiedergabetreue des parallelen Zweibit-Gatters erreicht 99,62 % und die Wiedergabetreue des parallelen Lesens erreicht 99,13 %. Diese hochpräzisen Implementierungen sind so, als würden Quantencomputer mit hochpräzisen „Augen“ und „Händen“ ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, komplexe Quantenalgorithmen genauer auszuführen.

Daher hat der erfolgreiche Bau von „Zu Chongzhi Nr. 3“ einerseits die Obergrenze der Rechenleistung von Quantencomputern erheblich verbessert und es ihnen ermöglicht, komplexere Probleme zu bewältigen; Andererseits wurden dadurch auch mehr Ressourcen für die Quantenfehlerkorrektur bereitgestellt und es wird erwartet, dass Oberflächencode-Logikbits mit höheren Codeabständen erreicht werden, wodurch die Fehlerrate beim Quantencomputing gesenkt und Quantencomputer aus den Laboren in die praktische Anwendung gebracht werden.

2. Was bedeutet die von Wissenschaftlern angestrebte Überlegenheit im Quantencomputing eigentlich?

Wenn man über Quantencomputing und die Überlegenheit des Quantencomputings spricht, kommt man an einem Wort nicht vorbei: Quantum Random Circuit Sampling (RCS). Es ist derzeit ein wichtiges Kriterium zur Messung der Leistungsfähigkeit von Quantencomputern.

Beim Berechnungsprozess eines klassischen Computers werden die zu verarbeitenden Daten üblicherweise zuerst in das System eingegeben und dann eine Reihe von Logikgatteroperationen gemäß einem bestimmten Algorithmus ausgeführt. Nach Abschluss dieser Vorgänge sind die erhaltenen verarbeiteten Daten das Berechnungsergebnis. Ähnlich läuft der Rechenvorgang eines Quantencomputers ab.

Bei der Quantenzufallsschaltungsabtastung werden zunächst Quanteninformationen importiert, dann eine Reihe von Quantenlogikgatteroperationen ausgeführt und schließlich die endgültigen Ergebnisse der Quantenzustandsberechnung abgetastet . Die Zufälligkeit bei der Stichprobennahme in Quantenzufallsschaltungen spiegelt sich hauptsächlich in der Tatsache wider, dass Wissenschaftler zufällig eine Vielzahl von Quantenlogikgatteroperationen auswählen, um eine Vielzahl von zufälligen Berechnungsergebnissen für Quantenzustände zu erhalten. Durch die statistische Analyse dieser Berechnungsergebnisse können wir die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse des Quantencomputers in verschiedenen Situationen ermitteln und dann die Gesamtleistung des Quantencomputers umfassend bewerten.

Daher kann man sagen, dass die Leistung des Quantencomputers umso besser ist, je besser die Leistung bei der Implementierung der Quantenzufallsschaltungsabtastung ist. Wenn die Rechenleistung eines Quantencomputers bei bestimmten Problemen die des stärksten klassischen Computers übertreffen kann, sprechen wir von der Überlegenheit des Quantencomputings.

Von meilensteinartiger Bedeutung ist die Forschung zur „Überlegenheit des Quantencomputings“. Es verifiziert nicht nur die Durchführbarkeit und das Potenzial der Prinzipien der Quantenmechanik im Bereich der Informatik, sondern liefert auch experimentelle Unterstützung für die Entwicklung der Theorie des Quantencomputings, zeigt, dass Quantencomputer tatsächlich eine Rechenleistung bereitstellen, die die klassischer Computer übertrifft, fördert den Fortschritt der zweiten Quantenrevolution und legt eine solide Grundlage für Quantencomputer, um ihrem ultimativen Ziel näher zu kommen – der Verwirklichung eines fehlertoleranten universellen Quantencomputers.

3. Wie weit sind wir vom Einsatz von Quantencomputern entfernt?

Der supraleitende Quantencomputer-Prototyp „Zu Chongzhi Nr. 3“ hat die stärkste Quantencomputer-Überlegenheit im aktuellen supraleitenden System erreicht. Heißt das, dass wir bald Quantencomputer einsetzen werden?

Angesichts der zunehmenden Komplexität von Bereichen wie künstlicher Intelligenz und Klimasimulation verliert Moores Gesetz heute zunehmend seine Gültigkeit, da Transistoren an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Die von uns verwendeten klassischen Computer können den exponentiell wachsenden Rechenleistungsbedarf nicht mehr decken. Daher setzen die Menschen ihre Hoffnungen auf Quantencomputer und hoffen, dass Quantencomputer so bald wie möglich zum Einsatz kommen können, um uns bei der Lösung des Problems der Verbesserung der Rechenleistung zu helfen.

Allerdings lässt sich die praktische Anwendung von Quantencomputern nicht über Nacht realisieren.

Derzeit unterteilen Wissenschaftler die Entwicklung des Quantencomputings in drei Phasen:

Phase 1: Erreichen Sie die Überlegenheit im Quantencomputing, manipulieren Sie mehr als 50 Quantenbits kohärent und verfügen Sie über eine Rechenleistung, die die schnellsten Supercomputer für bestimmte Probleme übertrifft.

Die zweite Phase: die Realisierung eines dedizierten Quantensimulators, der Hunderte bis Tausende von Quantenbits kohärent manipulieren kann, um wichtige wissenschaftliche Probleme zu lösen, die mit klassischen Computern nicht zu lösen sind, wie etwa Quantenchemie, Mechanismen der Hochtemperatur-Supraleitung und topologische Zustände der Materie.

Die dritte Phase: Realisierung eines universellen fehlertoleranten Quantencomputers, der mithilfe der Quantenfehlerkorrektur mindestens Millionen von Quantenbits kohärent manipulieren kann und zur Lösung von Rechenproblemen in den Bereichen klassische Kryptographie, künstliche Intelligenz, Materialdesign, Biopharmazie usw. eingesetzt wird.

Um die dritte Stufe der Quantencomputerentwicklung zu erreichen – einen universellen fehlertoleranten Quantencomputer – und die volle praktische Anwendung des Quantencomputings zu realisieren, ist es notwendig, Quantenfehlerkorrekturalgorithmen zu verwenden, um die Fehlerrate logischer Bits zu reduzieren. Derzeit gehen Wissenschaftler davon aus, dass es etwa 10 bis 15 Jahre dauern wird, einen Prototyp eines Quantencomputers mit Tausenden von logischen Bits und einer kontrollierten logischen Fehlerrate in der Größenordnung von 1e-10 zu bauen.

Gutachter: Zha Chen, Postdoktorand am Shanghai Institute of Technology, University of Science and Technology of China, Erstautor des Artikels

Planung: Shi Wenhui, Yan Dong

Produziert von: Science Popularization China