255 Photonen, 180 Millionen Mal schneller als klassische Computer, „Jiuzhang-3“ ist hier, um den Rekord zu brechen!

Am 11. baute ein Forschungsteam 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 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 das technische Niveau der optischen Quanteninformation und die Überlegenheit des Quantencomputings.

Forscher haben eine neue Methode zur Photonenerkennung mit räumlich-zeitlichem Demultiplexing entwickelt und einen hochpräzisen, quasi-Photonenzahl-auflösbaren Detektor konstruiert, der den Grad der Photonenmanipulation und die Komplexität des Quantencomputings verbessert hat. Gemäß dem öffentlich veröffentlichten optimalen klassischen Präzisions-Sampling-Algorithmus ist die Geschwindigkeit von „Jiuzhang Nr. 3“ bei der Verarbeitung der Gaußschen Bosonen-Sampling-Verarbeitung eine Million Mal schneller als die der vorherigen Generation „Jiuzhang Nr. 2“. Für die Verarbeitung der Probe mit der höchsten Komplexität in einer Millionstel Sekunde durch Jiuzhang-3 bräuchte der derzeit leistungsstärkste Supercomputer, Frontier, mehr als 20 Milliarden Jahre. Dieser Erfolg festigt die internationale Führungsposition meines Landes im Bereich des optischen Quantencomputings weiter.

Basierend auf der Konstruktion der Prototypen optischer Quantencomputer der „Jiuzhang“-Reihe deckte das Forschungsteam des USTC den mathematischen Zusammenhang zwischen der Stichprobenziehung von Gaußschen Bosonen und der Graphentheorie auf und schloss die Lösung zweier Arten von Graphentheorieproblemen mit praktischem Wert ab: dichte Teilgraphen und Max-Haf, das 180 Millionen Mal schneller ist als die präzise Simulation klassischer Computer . Darüber hinaus wurden die unbedingten Vorteile der Multiphotonen-Quantenpräzisionsmessung erstmals international demonstriert.

Von 76 Photonen auf 113 Photonen und dann auf 255 Photonen

Im Prinzip können Quantencomputer durch die Verwendung bestimmter Algorithmen eine höhere Rechenleistung erreichen als klassische Computer und so Probleme von großem gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wert lösen. Bereits 1981 schlug Feynman die erste Idee des Quantencomputings vor. Die physikalische Realisierung groß angelegter Quantencomputer ist eine der größten Herausforderungen an der Spitze der weltweiten Wissenschaft und Technologie. Aufgrund der strengen Fehlertoleranzschwelle und der großen Anzahl von Quantenbits ist die Entwicklung fehlertoleranter allgemeiner Quantencomputer noch weit vom aktuellen Stand der menschlichen technologischen Entwicklung entfernt.

Um die physikalische Realisierung des Quantencomputings zu erreichen, hat die internationale akademische Gemeinschaft daher einen dreistufigen Fahrplan verabschiedet. Der erste Meilenstein darunter, der in der Wissenschaft als „Überlegenheit des Quantencomputings“ bekannt ist, bedeutet, dass durch die hochpräzise Manipulation von fast hundert physikalischen Bits bestimmte hochkomplexe mathematische Probleme effizient gelöst werden können, die selbst Supercomputer nicht in angemessener Zeit lösen können. Es beweist experimentell das von Feynman vor vierzig Jahren vorgeschlagene Konzept der Beschleunigung von Quantencomputern und widerlegt die „Erweiterte Church-Turing-These“.

Bose-Sampling auf der Basis von Photonen und Random Circuit Sampling auf der Basis supraleitender Bits sind zwei wichtige Verfahren zum experimentellen Nachweis der Überlegenheit des Quantencomputings. Das Team von Pan Jianwei war in der optischen Quanteninformationsverarbeitung stets international führend. Im Jahr 2017 baute das Team den weltweit ersten Prototyp eines optischen Quantencomputers, der die frühen klassischen Computer übertraf. Im Jahr 2019 entwickelte das Team die weltweit leistungsstärkste Einzelphotonenquelle mit deterministischer Polarisation, hoher Reinheit, hoher Homogenität und hoher Effizienz weiter, erreichte eine Bose-Abtastung einer 20-Photonen-Eingangs-60-Modus-Interferenzlinie und die Hilbert-Zustandsraumdimension des Ausgangs erreichte 1014 und näherte sich damit der „Überlegenheit im Quantencomputing“.

Im Jahr 2020 baute das Team von Pan Jianwei erfolgreich einen Prototypen des Quantencomputers „Jiuzhang“ mit Gaußscher Bosonen-Abtastung, 76 Photonen und 100 Modi. Die ausgegebene Quantenzustandsraumskala erreichte 1030 und die Geschwindigkeit der Verarbeitung der Gaußschen Bosonen-Stichproben war hundert Billionen Mal schneller als die eines Supercomputers. Gleichzeitig wurde die Lücke geschlossen, dass die Quantenüberlegenheit bei Googles Experiment zur Zufallsschaltungsabtastung auf Basis des supraleitenden Prozessors „Platanus“ von der Anzahl der Abtastwerte abhing.

Im Jahr 2021 arbeitete ein Forschungsteam bestehend aus Pan Jianwei, Lu Chaoyang, Liu Naile und anderen von der University of Science and Technology of China mit dem Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und dem National Parallel Computer Engineering Technology Research Center zusammen, um theoretische und experimentelle Methoden zur stimulierten Verstärkung von Quantenlichtquellen zu entwickeln, einen Quantencomputer-Prototyp „Jiuzhang-2“ mit 113 Photonen und 144 Modi zu konstruieren , phasenprogrammierbare Funktionen zu realisieren und die schnelle Lösung von Gaußschen Boson-Sampling-Aufgaben abzuschließen, die verwendet wurden, um die „Überlegenheit des Quantencomputings“ zu demonstrieren. Jiuzhang-2 kann die Abtastung von Gaußschen Bosonen 10 hoch 24 Mal schneller verarbeiten als der damals schnellste Supercomputer.

Was genau ist ein Photon?

Ein Lichtquant wird auch als Photon bezeichnet. Dieser Begriff wurde erstmals von Einstein in einer berühmten Arbeit aus dem Jahr 1905 vorgeschlagen. Aufgrund des großen Erfolgs der Photonentheorie erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.

Also, was genau ist ein Photon? Licht ist das, womit die Menschen im täglichen Leben am vertrautesten sind. Ohne Licht können die Menschen einfach nicht leben. Der Weg zum Verständnis der Menschen für die Natur des Lichts war jedoch schwierig und steinig.

Eine von Newton vertretene Theorie besagt, dass Objekte Licht aussenden, weil sie einen Strom von Lichtpartikeln (Mikropartikeln) aussenden, und dass wir Licht sehen können, weil diese Partikel auf unsere Augen fallen und das Sehen verursachen. Nach dieser Theorie erklärt man das Reflexionsphänomen des Lichts als Ergebnis der elastischen Kollision von Lichtteilchen auf der reflektierenden Oberfläche.

Huygens, ein Zeitgenosse Newtons, glaubte jedoch, dass das von Objekten ausgestrahlte Licht eine Art Welle sei, die sich von den Wasserwellen und Schallwellen, die Menschen normalerweise beobachten, unterscheide – sie alle hätten ein Medium zur Wellenausbreitung. Das Medium für Wasserwellen ist Wasser, und das Medium für Schallwellen ist Luft oder andere Flüssigkeiten und Feststoffe. Die Ausbreitung von Lichtwellen erfolgt im Vakuum, das heißt, Lichtwellen nutzen Vakuum als Medium.

Die beiden Theorien standen sich von Anfang an gegenüber, doch aufgrund des hohen Ansehens Newtons in der wissenschaftlichen Gemeinschaft dominierte die Teilchentheorie des Lichts lange Zeit. Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurden die von Young, Fresnel und Fraunhofer neu entdeckten Interferenz-, Beugungs- und Polarisationsphänomene des Lichts mit Huygens' Wellentheorie des Lichts in Einklang gebracht, die sich mit Newtons Teilchentheorie des Lichts nicht erklären ließ.

Mit der Entwicklung optischer Instrumente hat auch die optische Theorie große Fortschritte gemacht. Nachdem Maxwell bewiesen hatte, dass Lichtwellen elektromagnetische Wellen sind, schien die Wellentheorie des Lichts durch Experimente vollständig bestätigt zu sein, und auch die Aussage, dass Licht eine Welle ist, wurde von den Menschen allgemein akzeptiert.

Allerdings schien die Theorie, dass Licht eine Welle sei, angesichts der experimentellen Ergebnisse zum photoelektrischen Effekt immer wirkungslos. Der sogenannte photoelektrische Effekt führt dazu, dass bei der Einstrahlung von Licht auf die Oberfläche eines Metalls Elektronen aus dem Metall herausgeschlagen werden. Bereits 1872 entdeckte Stoletov von der Moskauer Universität dieses Phänomen, später forschten auch die deutschen Physiker Hertz und Renard darüber. Als man versuchte, den photoelektrischen Effekt mithilfe der Wellentheorie des Lichts zu erklären, gelangte man zu dem Schluss, dass bei zunehmender Lichtintensität auch die Geschwindigkeit der aus dem Metall herausgeschlagenen Elektronen zunehmen sollte. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass bei Bestrahlung mit Licht der gleichen Frequenz alle beobachteten Elektronen die gleiche Geschwindigkeit haben, unabhängig von der Lichtstärke. Mit anderen Worten: Die Geschwindigkeit der aus dem Metall herausgeschlagenen Elektronen hat nichts mit der Intensität des Lichts zu tun! Zudem führt erst eine bestimmte Frequenz des Lichts dazu, dass unter Lichtbedingungen Elektronen aus dem Metall herausfliegen. Darüber hinaus hängt die Frage, ob Elektronen aus dem Metall herausgeschlagen werden können, von der Lichtfrequenz ab. Das heißt, die Geschwindigkeit der herausfliegenden Elektronen bei Bestrahlung mit violettem Licht ist größer als die Geschwindigkeit der herausfliegenden Elektronen bei Bestrahlung mit rotem Licht! Daher ist die Behauptung, Licht sei eine Welle, im Experiment in Schwierigkeiten geraten.

Mit seinem kreativen Denken untersuchte Einstein den photoelektrischen Effekt aus einem völlig anderen Blickwinkel. Er stellte die Theorie auf, dass Licht ein Lichtquant sei. Nach dieser Theorie besteht die Energie des Lichts aus diskontinuierlichen minimalen Einheitsenergien, und die Größe dieser Einheitsenergie ist direkt proportional zur Frequenz des Lichts. Licht hat zwar immer noch eine Frequenz (oder Wellenlänge) wie eine Welle, besitzt aber auch die Eigenschaften winziger „Partikel“ – einzelner Energieeinheiten. Licht ist somit nichts anderes als ein Energiestrom, dessen kleinste Einheit als Lichtquant (Photon) bezeichnet wird. Wenn Licht auf die Oberfläche eines Metalls scheint, überträgt das Licht die Energie des Photons auf das Elektron und das Photon verschwindet. Das Elektron erhält die Energie des Photons sowie seine eigene Energie und kann aus dem Metall herausfliegen. Da die Energie eines Photons nur mit der Frequenz des Lichts zusammenhängt, kann nur Licht mit einer Frequenz über einer bestimmten Frequenz genügend Energie liefern, um Elektronen aus dem Metall zu schlagen. Auf diese Weise erklärt die Lichtquantentheorie den photoelektrischen Effekt auf prägnante und klare Weise.

Für seinen Erfolg erhielt Einstein den Nobelpreis für Physik, doch die Quantentheorie des Lichts hat die vor über 100 Jahren begonnene Diskussion über die Natur des Lichts wieder aufleben lassen: Was genau ist Licht? Ist es eine Welle oder ein Teilchen?

Die Entwicklung der Physik hat die Menschen gezwungen, die Aussage zu akzeptieren, dass Licht manchmal als Welle (wie Interferenz und Beugung von Licht) und manchmal als Teilchen (wie Einfall und Reflexion von Licht) auftritt. Licht ist jedoch weder eine Welle wie Wasserwellen oder Schallwellen, noch ein materielles Teilchen wie winzige Partikel. Licht besitzt den Welle-Teilchen-Dualismus, also den Welle-Teilchen-Dualitätszustand.

Warum ist das Licht, das wir von der Sonne oder anderen Lichtquellen sehen, immer stabil und kontinuierlich und nicht in Portionen? Dies liegt daran, dass die Energie eines Lichtquants extrem klein ist. In mathematischer Form kann dies als die berühmte Planck-Beziehung E=hv ausgedrückt werden, wobei h die sogenannte Planck-Konstante ist und ihr Wert 6,62618×10-34 Joulesekunden beträgt. Obwohl dieser Wert so klein ist, hat er eine sehr wichtige Rolle in der Entwicklung der Physik und im Verständnis der Menschen für die Natur des Lichts gespielt. Angenommen, wir zünden eine 25-Watt-Glühbirne an und betrachten das emittierte Licht als gelbes Licht. Dann enthält dieser Lichtstrahl 6 × 1019 Photonen an Energieeinheiten, oder anders ausgedrückt: Dieser Lichtstrahl emittiert 6 × 1019 Photonen oder 600 Billionen Energieeinheiten pro Sekunde. Aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges kann das menschliche Auge bei der Emission so vieler Lichtquanten mit so hoher Geschwindigkeit nicht jedes Lichtquant einzeln wahrnehmen und sieht nur einen kontinuierlichen Lichtstrahl.

Daraus lässt sich schließen, dass es sich bei einem Lichtquant um die kleinste Energieeinheit handelt und nicht um ein materielles Teilchen. Obwohl die Energie eines Photons mit seiner Frequenz zusammenhängt, handelt es sich nicht um die Schwankung, die wir normalerweise sehen.

Im Allgemeinen ist das Experiment zur Quantenüberlegenheit keine einmalige Aufgabe, sondern ein Wettbewerb zwischen schnelleren klassischen Algorithmen und immer besserer Quantencomputer-Hardware. Letztendlich wird die Quantenparallelität jedoch eine Rechenleistung hervorbringen, die klassische Computer nicht erreichen können.

Quelle: Science Popularization China Comprehensive Science and Technology Daily