Sehen Sie sich Chinas Rechenleistung im Handumdrehen an! Der Name dieses Computers stammt aus „Neun Kapiteln über die mathematische Kunst“.

Wenn eine Nation auf der Grundlage von Wissenschaft und Technologie steht, wird sie bestehen; Wenn Wissenschaft und Technologie stark sind, wird das Land stark sein.

Im Jahr 2023 brachte die wissenschaftliche und technologische Innovation meines Landes viele Höhepunkte: Das im Inland hergestellte Großflugzeug C919 absolvierte seinen ersten kommerziellen Passagierflug, die „Jiuzhang-3“ stellte einen neuen Weltrekord für optische Quanteninformationstechnologie auf, das erste Demonstrationsprojekt zur Offshore-Kohlendioxidspeicherung wurde in Betrieb genommen, die Raumstation trat in eine neue Phase der Anwendung und Entwicklung ein und das erste im Inland hergestellte große Kreuzfahrtschiff wurde getauft und ausgeliefert …

Anfang 2024 plante das Digital Beijing Science Center speziell die Rubrik „Neue wissenschaftliche und technologische Durchbrüche“, um die wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaften zu überprüfen, die im Jahr 2023 unter der Führung der Partei erzielt wurden.

Rechnen ist eine uralte Wissenschaft. „Chinas Neun Kapitel über die mathematische Kunst“ ist das älteste Werk der Welt, das Bruchrechnungen sowie das Rechnen mit positiven und negativen Zahlen systematisch erklärt. Tausende von Jahren sind vergangen und die Rechenanforderungen der Menschen gehen längst über die gewöhnliche Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division hinaus. Seit dem Aufkommen der Computer haben sich Geschwindigkeit und Umfang komplexer Berechnungen exponentiell verbessert, und die Verbesserung der Rechenleistung ist eng mit der Entwicklung der modernen Sozialindustrie verbunden.

Das Bild zeigt ein physikalisches Diagramm der Lichtquanteninterferenz. Unten links ist der optische Eingangsteil, unten rechts der phasenstarre optische Pfad und der obere Teil gibt insgesamt 100 optische Modi aus, die über verlustarme Einmoden-Glasfasern mit 100 supraleitenden Einzelphotonendetektoren verbunden sind.

Quelle: Siehe Wasserzeichen

Im Oktober 2023 baute ein Forschungsteam bestehend aus Pan Jianwei, Lu Chaoyang und anderen von der University of Science and Technology of China in Zusammenarbeit mit dem Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und dem National Parallel Computer Engineering Technology Research Center erfolgreich einen 255-Photonen-Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang-3“ und brach damit erneut den Weltrekord für optische Quanteninformationstechnologie. Die Geschwindigkeit der Verarbeitung der Gaußschen Bosonen-Abtastung ist eine Million Mal schneller als bei der vorherigen Generation „Jiuzhang-2“. Für die komplexeste Stichprobe, die „Jiuzhang-3“ in 1 Mikrosekunde berechnen kann, benötigt der weltweit schnellste Supercomputer „Frontier“ etwa 20 Milliarden Jahre.

Was ist ein Quantencomputer?

Das Konzept des Quantencomputers wurde von Feynman vorgeschlagen. Es verfügt prinzipiell über superschnelle parallele Rechenkapazitäten und kann durch spezielle Quantenalgorithmen eine exponentielle Beschleunigung der Simulationsberechnungen einiger Probleme mit erheblichem gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wert erreichen. Daher ist die Entwicklung von Quantencomputern eine der größten Herausforderungen an den aktuellen wissenschaftlichen und technologischen Grenzen der Welt.

Um zu verstehen, wie leistungsstark Quantencomputer sind, müssen wir zunächst einige Fachbegriffe verstehen. Quanten In der Physik ist ein Quant die kleinste diskrete Einheit einer physikalischen Eigenschaft. Es bezieht sich normalerweise auf Atome oder subatomare Teilchen wie Elektronen, Neutrinos und Photonen. Quantenbit Ein Qubit ist die grundlegende Informationseinheit in der Quanteninformatik. Die Bits herkömmlicher Computer sind binär und können nur 0 oder 1 speichern, Quantenbits können jedoch eine Überlagerung aller möglichen Zustände speichern. Bei einer Superposition können wir im Normalzustand nur die Vorder- oder Rückseite einer Münze sehen, der Zustand der Quantenteilchen schwankt jedoch ständig, einschließlich der Vorder-, Rückseite und der Wechselzustände der Münze, bis sie beobachtet und gemessen wird, was einem Superpositionszustand entspricht. Verschränkung Verschränkung ist die Fähigkeit von Quantenteilchen, die Ergebnisse ihrer Messungen miteinander zu korrelieren. Wenn Qubits verschränkt sind, bilden sie ein System und beeinflussen sich gegenseitig. Eine Erhöhung der Anzahl von Quantenteilchen oder der Verschränkung würde es Computern ermöglichen, komplexere Probleme zu lösen. Quanteninterferenz Quanteninterferenz ist das intrinsische Verhalten von Quantenbits, das die Wahrscheinlichkeit ihres Kollapses aufgrund von Superposition beeinflusst. Quantencomputer müssen Störungen minimieren, um die Genauigkeit ihrer Ergebnisse sicherzustellen.

Das Bild zeigt eine schematische Darstellung der Lichtquanteninterferenz.

Quelle: Siehe Wasserzeichen

Quantencomputing nutzt die einzigartigen Eigenschaften der Quantenmechanik (wie Superposition, Verschränkung und Quanteninterferenz) und wendet sie auf Berechnungen an.

Warum ist Jiuzhang Nr. 3 so schnell?

Herkömmliche Computer bestehen aus elektronischen Komponenten, sodass ihre Rechengeschwindigkeit und -leistung prinzipiell einer Obergrenze unterliegen. Bei Quantencomputern gibt es diese theoretisch nicht.

Die Betriebslogik des Quantencomputings unterscheidet sich von der herkömmlicher Computer. Herkömmliche Computer führen logische Operationen auf Binärbasis aus. Jeder Transistor entspricht einem Schalter und der Zustand des Schalters stellt 0 und 1 dar. Jede Berechnung kann nur ein Informationsbit verarbeiten. Je größer die Informationsmenge, desto länger die Berechnungszeit. Quantencomputer verwenden Qubits, die die Eigenschaften der Quantenmechanik (Superposition und Verschränkung) ausnutzen, um Berechnungen durchzuführen.

Optischer Quantencomputer „Jiuzhang-3“.

Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

Professor Lu Chaoyang, der Projektleiter, sagte: „Ein wichtiges Merkmal des Quantencomputings ist, dass mit der steigenden Zahl steuerbarer Quantenteilchen die Rechenleistung exponentiell wächst. Es ist wie ein Gang durch ein Labyrinth. Herkömmliche Computer können immer nur einen Weg gleichzeitig ausprobieren. Scheitert dies, können sie nur von vorne beginnen. Aber wenn ein Quantencomputer durch ein Labyrinth geht, ist es, als würden zehn Personen gleichzeitig verschiedene Wege ausprobieren. Sie probieren alle Möglichkeiten im Handumdrehen aus und finden schnell den richtigen Weg.“

Schematische Darstellung des Versuchsgeräts Quelle: Jilin Daily

„Jiuzhang-2“ kann 113 Photonen manipulieren und „Jiuzhang-3“ kann 255 Photonen manipulieren, aber die Rechenleistung von „Jiuzhang-3“ wird nicht um das 2,26-fache (255 geteilt durch 113) erhöht, sondern um das 1-Millionen-fache.

Strukturell ist „Jiuzhang-3“ in vier Hauptteile unterteilt: stimulierte Quantenlichtquelle, Quantenoptikpfad mit extrem geringem Verlust, Glasfaserring mit Raum-Zeit-Demultiplexing und supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektor. Die größte Verbesserung gegenüber „Jiuzhang-2“ ist die Technologie des „Glasfaserrings mit Raum-Zeit-Demultiplexing“.

„Jiuzhang Nr. 2“ kann die spezifische Anzahl der Photonen nicht analysieren. Durch den Einsatz optischer Faserringe kann die Photonenmanipulation erheblich verbessert werden. Gleichzeitig weist die stimulierte Quantenlichtquelle auch die niedrigste Verlustrate und die größte Modenanzahl weltweit auf. Diese Innovationen erhöhen die Anzahl und Qualität der Photonen sowie die Komplexität der Berechnungen.

Was können Quantencomputer in Zukunft?

Da Quantencomputer prinzipiell über superschnelle parallele Rechenfähigkeiten und eine enorme Rechenkapazität verfügen, erwarten Wissenschaftler, dass Quantencomputer größere und komplexere Rechenanforderungen in fortgeschrittenen Bereichen wie dem Knacken von Codes, der Analyse großer Datenmengen, der Arzneimittelanalyse, der Wettervorhersage und der Materialanalyse unterstützen werden. Moderne Technologien erfordern Berechnungen auf der Grundlage immer komplexerer Daten. Herkömmliche Computer benötigen möglicherweise viel Zeit und Ressourcen, um Ergebnisse zu erzielen, oder sind möglicherweise nicht einmal in der Lage, den Rechenbedarf zu decken. Bis zur Realisierung eines praxistauglichen, universell einsetzbaren Quantencomputers ist es allerdings noch ein weiter Weg.

Derzeit nimmt die internationale Forschung zum Quantencomputing Fahrt auf und das Quantencomputing ist in den Mittelpunkt der wissenschaftlichen Forschung und der strategischen Ausrichtung von Ländern auf der ganzen Welt gerückt. Technologiegiganten wie IBM und Google steigern ihre Investitionen ständig, und auch Regierungen und Industrieunternehmen beschleunigen ihre Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie ihre politische Unterstützung für das Quantencomputing. Das Jiuzhang-Team äußerte außerdem die Hoffnung, dass dieser Durchbruch die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu inspirieren wird, mehr Forschung zu klassischen Algorithmensimulationen zu betreiben, verschiedene wissenschaftliche und technische Herausforderungen schrittweise zu lösen und die Realisierung universeller Quantencomputer zu beschleunigen, um die wirtschaftliche und soziale Entwicklung zu fördern.

Die Inhalte sind zusammengestellt aus: Guangming Daily, People's Daily, Xinhua News Agency New Media, Outlook News Weekly, Jilin Daily, Cover News