Eine Millionstel Sekunde! Warum ist der leistungsstärkste optische Quantencomputer „Jiuzhang-3“ so schnell?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Am 11. Oktober 2023 veröffentlichte das international renommierte Physik-Fachjournal Physical Review Letters die neuesten Forschungsergebnisse eines chinesischen Forscherteams auf dem Gebiet des optischen Quantencomputings .

Dem Forschungsteam für optische Quantencomputer, bestehend aus Pan Jianwei, Lu Chaoyang, Liu Naile und anderen vom Institut für Quanteninformation und Quantentechnologie-Innovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften an der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, gelang es 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, den optischen Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang-3“ mit 255 Photonen erfolgreich zu bauen und damit erneut den Weltrekord für die Anzahl steuerbarer Photonen in einem optischen Quantencomputer zu brechen.

Das Cover der Zeitschrift Physical Review Letters mit „Jiuzhang-3“

(Bildquelle: Website von Physical Review Letters)

„Jiuzhang-3“ ist das neueste Modell, das auf Grundlage der vorherigen „Jiuzhang“-Serie optischer Quantencomputer-Prototypen weiterentwickelt und ausgereifter wurde. Es stellt den höchsten technologischen Stand im aktuellen Bereich des optischen Quantencomputings dar .

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der „Jiuzhang Nr. 3“ mit 255 Photonen im Vergleich zum vorherigen Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang Nr. 2“, der lediglich 113 Photonen manipulieren konnte, bei der Verarbeitung des spezifischen komplexen Problems der „ Gaußschen Bosonen-Abtastung “ eine etwa eine Million Mal schnellere Rechengeschwindigkeit aufweist .

Daher verbessert „Jiuzhang-3“ nicht nur die Fähigkeit optischer Quantencomputer, komplexe Probleme zu lösen, sondern stellt auch den neuesten Weltrekord für Überlegenheit im Quantencomputing auf und bietet solide technische Unterstützung für die endgültige Entwicklung eines wirklich praktischen Quantencomputers für allgemeine Zwecke.

Konzeptkarte des Quantencomputings

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Also, was genau ist ein Photon? Wie nehmen Photonen an Berechnungen zur Bildung von Photonenquantencomputern teil? Warum wählen Wissenschaftler bewusst das komplexe Problem der „Gaußschen Bosonen-Stichprobenziehung“, um Berechnungen durchzuführen und es zu lösen? Wie weit ist die aktuelle „Jiuzhang“-Reihe von Quantencomputer-Prototypen davon entfernt, ein wirklich praktischer, universeller Quantencomputer zu werden?

Das vertraute und zugleich unbekannte „ Photon “

Lichtquanten, auch Photonen genannt, können elektromagnetische Wechselwirkungen mit Lichtgeschwindigkeit übertragen . Sie wurden erstmals 1905 von Albert Einstein vorgeschlagen und 1926 vom amerikanischen Wissenschaftler Gilbert Lewis offiziell benannt.

In der makroskopischen Welt, in der wir leben, ist Licht eines der vertrautesten Dinge für die Menschen und hat sich zu ausgereiften Zweigen der Physik wie der geometrischen Optik entwickelt. Im Physikunterricht in der Mittelstufe lernten wir etwas über die Reflexion und Brechung von Licht, was zeigt, dass Licht ähnliche Teilcheneigenschaften wie winzige Teilchen hat. Im Physikunterricht in der Oberstufe haben wir außerdem gelernt, dass Licht auch interferieren und beugen kann, was zeigt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist und daher ähnliche Welleneigenschaften wie Schallwellen oder Wasserwellen hat .

Das heißt, aus der Perspektive der makroskopischen Welt, in der wir leben , ist Licht ein Ganzes, das aus einer extrem großen Anzahl von Photonen besteht, und dieses Ganze hat sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften, was auch als „Welle-Teilchen-Dualität“ des Lichts bezeichnet wird.

Licht in der makroskopischen Welt

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Aus der Perspektive der mikroskopischen Welt besitzt jedes Photon jedoch weder reine Welleneigenschaften wie Schallwellen oder Wasserwellen in der makroskopischen Welt noch reine Teilcheneigenschaften wie extrem kleine Atome oder Moleküle, sondern muss durch die Quantisierung in der Quantenmechanik beschrieben werden.

Quantisierung bedeutet, dass sich die materielle Energie in der mikroskopischen Welt nur diskontinuierlich, also Stück für Stück, in der kleinsten Energieeinheit (Quant) ändern kann. Bei Photonen ist jedes Photon die kleinste Einheit, aus der Licht in der makroskopischen Welt besteht, und auch die Energie des Lichts setzt sich aus den Energien einzelner Photonen zusammen .

Konzeptionelles Diagramm von Photonen in der mikroskopischen Welt

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Warum fühlt sich das Licht in der makroskopischen Welt, in der wir leben, immer stabil und kontinuierlich an, anstatt sich Stück für Stück zu verändern?

Dies liegt daran, dass die Energie jedes Photons extrem gering ist, etwa 5×10^19. J. Im Vergleich dazu beträgt die Blitzleistung unserer gewöhnlichen Smartphones etwa 1 W, was bedeutet, dass der Blitz des Telefons in nur 1 Sekunde etwa 2×10^18 Photonen aussenden kann. Daher ist es schwierig, die Existenz und Veränderungen von Photonen in der makroskopischen Welt, in der wir leben, zu spüren .

Photonisches Quantencomputing: eine Zukunftstechnologie mit unbegrenztem Potenzial

Wie nehmen also Photonen an Berechnungen zur Bildung optischer Quantencomputer teil? Dies beginnt mit Quantencomputern.

Die elektronischen Geräte, mit denen wir heute in Kontakt kommen, wie Computer und Taschenrechner, gehören immer noch zur Kategorie der klassischen Computer. Da sich die Rechenleistung klassischer Computer immer mehr der Grenze des Mooreschen Gesetzes nähert, wird es zunehmend schwieriger, den enormen Datenverarbeitungsbedarf klassischer Computer durch eine einfache Erhöhung ihrer Prozessoranzahl zu decken.

Quantencomputer unterscheiden sich von klassischen Computern. Sie nutzen die parallelen Recheneigenschaften der Quantenmechaniktheorie, um eine effizientere Rechenleistung zu erzielen.

Quantencomputer verwenden Quantenbits als grundlegende Recheneinheiten. Jedes Quantenbit kann sich in einer Überlagerung der Zustände 0 und 1 befinden , im Gegensatz zu einem klassischen Bit in einem klassischen Computer, das sich nur im Zustand 0 oder im Zustand 1 befinden kann. Beispielsweise kann sich jedes Quantenbit mit der Wahrscheinlichkeit P im Zustand 0 und mit der Wahrscheinlichkeit Q im Zustand 1 befinden, solange die Summe der Wahrscheinlichkeiten P und Q gleich 1 bleibt.

Schematische Darstellung der Kodierung optischer Quantenbits

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Es ist die einzigartige Überlagerung von Quantenbits, die es Quantencomputern ermöglicht, komplexe Rechenprobleme parallel zu verarbeiten. Beispielsweise kann ein Quantencomputer mit N Quantenbits 2 ^N Daten gleichzeitig parallel verarbeiten und weist damit für bestimmte Problemstellungen eine exponentiell hohe Rechenleistung auf.

Daher hat die Frage, wie man einen wirklich praktischen Quantencomputer bauen kann, in der Wissenschaft und Industrie große Aufmerksamkeit erregt, und das optische Quantencomputing ist eines der vielversprechendsten Forschungsgebiete.

Optisches Quantencomputing ist der Prozess der Kodierung der Informationen von Quantenbits in die Freiheitsgrade jedes Photons . Zu den Freiheitsgraden der Photonen zählen unter anderem Polarisation und Drehimpuls. (Wir müssen hier nicht näher auf die detaillierteren physikalischen Konzepte der Photonenfreiheit eingehen. Wir müssen lediglich verstehen, dass jedes Photon durch eine bestimmte Kodierungsmethode in ein Quantenbit umgewandelt werden kann.)

In bestimmten Experimenten müssen Wissenschaftler außerdem verschiedene optische Elemente und sorgfältig entworfene optische Pfade verwenden, um die Interaktion zwischen optischen Quantenbits abzuschließen und so den Betrieb von Quantenbit-Gattern im Quantencomputerprozess zu realisieren. Allerdings ist die Energie eines einzelnen Photons zu gering, was es schwierig macht, in Experimenten einzelne Photonen zu erhalten und auch die schwachen Signale einzelner Photonen zu erkennen.

Schematische Darstellung des optischen Experiments

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wenn wir also bei optischen Quantencomputerlösungen die Superrechenleistung optischer Quantencomputer wirklich entfesseln wollen, müssen wir nicht nur die vielen technischen Probleme, mit denen wir konfrontiert sind, einzeln lösen, sondern auch die Anzahl der steuerbaren optischen Quantenbits weiter erhöhen , um so die technischen Vorbereitungen für den endgültigen Bau eines praxistauglichen Quantencomputers zu treffen.

„Jiuzhang“-Reihe: Immer wieder herausragende Ergebnisse im optischen Quantencomputing

Zu den Lösungen, die derzeit zur Realisierung universeller Quantencomputer erwartet werden, zählen vor allem: supraleitende Quantencomputer, Ionenfallen-Quantencomputer, optische Quantencomputer usw.

Unter ihnen verfügen optische Quantencomputer über einige einzigartige Vorteile. Erstens können optische Quantencomputer bei Raumtemperatur normal arbeiten, sodass keine Umgebung mit niedriger Temperatur erforderlich ist. zweitens können Photonen nur schwer mit Rauschen in der Umgebung interagieren und sind daher gut rauschresistent. Und schließlich ist mit der kontinuierlichen Verbesserung der optischen Experimentaltechnologie zu erwarten, dass in Zukunft kompaktere und miniaturisierte optische Quantencomputersysteme realisiert werden können.

Das Forschungsteam der University of Science and Technology of China konzentriert sich auf optische Quantencomputersysteme und die kontinuierliche Verbesserung der Gesamtleistung optischer Quantencomputerlösungen. Darunter wählten sie das spezifische komplexe Problem der Gaussian-Boson-Sampling, um die Quantenüberlegenheit des optischen Quantencomputings zu überprüfen. (Wir müssen hier nicht näher auf die Gaussian-Boson-Sampling-Theorie eingehen, wir müssen nur wissen, dass sich dieses spezielle Problem besonders gut für die parallele Beschleunigung von Quantenoperationen durch optische Quantencomputer eignet.)

Bereits im Jahr 2020 entwickelte das Forschungsteam für optische Quantencomputer der University of Science and Technology of China erfolgreich den optischen Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang“ mit 76 Photonen . Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der Prototyp des optischen Quantencomputers „Jiuzhang“ bei der Verarbeitung spezifischer Probleme der Gaussschen Bosonen-Abtastung hundert Billionen Mal schneller ist als der seinerzeit schnellste klassische Supercomputer der Welt, „Fugaku“ . Damit ist weltweit erstmals die Quantenüberlegenheit im Bereich des optischen Quantencomputers belegt.

Diagramm des Versuchsaufbaus des optischen Quantencomputer-Prototyps von Jiuzhang

(Bildquelle: Referenz [4])

Im darauffolgenden Jahr 2021 rüstete das Team den „Jiuzhang“-Prototyp weiter auf zum optischen Quantencomputer „Jiuzhang-2“ mit 113 Photonen . Für das spezifische Problem der Gaussian-Boson-Stichprobe ist die Rechengeschwindigkeit von „Jiuzhang-2“ fast 10 Milliarden Mal schneller als die von „Jiuzhang“. Verglichen mit dem damals leistungsstärksten klassischen Supercomputer der Welt ist die Rechengeschwindigkeit von „Jiuzhang-2“ fast 100 Billionen (10 hoch 24) Mal schneller, was seine Quantenüberlegenheit im Bereich des optischen Quantencomputings weiter festigt.

Foto des optischen Quantencomputerexperiments Jiuzhang-2

(Bildquelle: Referenz [5])

Der neueste optische Quantencomputer „Jiuzhang-3“ kann 255 Photonen manipulieren und seine Fähigkeit, das spezifische komplexe Problem der Gaussian-Boson-Sampling zu lösen, ist fast eine Million Mal höher als die der vorherigen Generation „Jiuzhang-2“.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das komplexe Rechenproblem, das Jiuzhang-3 in einer Millionstel Sekunde löste, mehr als 20 Milliarden Jahre dauern würde, wenn der derzeit leistungsstärkste klassische Supercomputer Frontier verwendet würde. Dieser Durchbruch bestätigt nicht nur die Überlegenheit des Quantencomputings, sondern festigt auch die international führende Position des Forschungsteams meines Landes auf dem Gebiet des optischen Quantencomputings.

Lichtweg-Designdiagramm des optischen Quantencomputers Jiuzhang-3

(Bildquelle: Referenz [6])

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich das Forschungsteam für optische Quantencomputer aus China auf die Verbesserung der Gesamtleistung optischer Quantencomputer konzentriert und kontinuierlich bemerkenswerte Ergebnisse im hochmodernen Bereich der Verifizierung der Quantenüberlegenheit erzielt hat. Die kontinuierlichen Durchbrüche von „Jiuzhang“ über „Jiuzhang-2“ bis hin zu „Jiuzhang-3“ zeigen, dass der Prototyp der optischen Quantentechnologie über eine enorme Rechenleistung verfügt, die für klassische Computer bei der Lösung bestimmter komplexer Probleme nur schwer zu erreichen ist.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat das weltweite Forschungsteam für optische Quantencomputer einen Rekord für die Anzahl steuerbarer Photonen aufgestellt.

(Bildquelle: Abteilung für Quantenphysik und Quanteninformation, Universität für Wissenschaft und Technologie von China)

Wir müssen uns jedoch auch darüber im Klaren sein, dass die Überprüfung der Quantenüberlegenheit ein langfristiges und komplexes Spitzenthema ist, das von Wissenschaftlern die kontinuierliche Erforschung und Lösung verschiedener technischer Kernprobleme erfordert. Wir müssen uns auch in Zukunft weiter in Richtung wirklich praktischer Quantencomputer bewegen. Und wir sind auch fest davon überzeugt, dass der Traum vom Quantencomputing in naher Zukunft unsere Realität erhellen wird.

Verweise

[1] Kapitel 9: Han-Sen Zhong et al., Quantenrechnerischer Vorteil durch Photonen. Science 370, 1460-1463 (2020). DOI: 10.1126/science.abe8770

[2] Kapitel 9 Nr. 2: Zhong, Han-Sen et al, Phasenprogrammierbare Gaussian Boson Sampling mit stimuliertem Quetschlicht[J]. Phys. Rev. Lett, 2021,127, 180502.

[3] Kapitel 9 Nr. 3: Deng, Yu-Hao et al, Gaussian Boson Sampling mit Pseudo-Photon-Number-Resolving Detectors und Quantum Computational Advantage[J]. Phys. Rev. Lett, 2023, 131, 150601.

[4] Zhong HS, Wang H, Deng YH, et al. Quantenrechnerischer Vorteil durch Photonen[J]. Science, 2020, 370(6523): 1460-1463.

[5] Zhong HS, Deng YH, Qin J, et al. Phasenprogrammierbare Abtastung von Gauß-Bosonen mittels stimuliertem gequetschtem Licht[J]. Physical Review Letters, 2021, 127(18): 180502.

[6] Deng, Yu-Hao et al., Gaussian Boson Sampling mit Pseudo-Photonenzahl-auflösenden Detektoren und Quanten-Rechenvorteil.[J]. PhysRevLett, 2023, 131.150601.