Warum wurde die „Quantenüberlegenheit“ so oft bestätigt, doch herkömmliche Computer sind immer noch „nicht überzeugt“?

Quantencomputing ist wieder ein großes Thema! Im Juli 2023 veröffentlichte das Quantencomputing-Team von Google seine neuesten Forschungsergebnisse in der arXiv-Preprint-Bibliothek. Der Quantencomputer „Sycamore“ des Unternehmens wurde iterativ weiterentwickelt und verfügt über Fähigkeiten, die alle aktuellen klassischen Supercomputer übertreffen und damit „einmal mehr“ die „Quantenüberlegenheit“ beweisen.

Teil 1

„Quantenüberlegenheit“ – der Beginn des Quantenzeitalters

Viele Menschen glauben vielleicht, dass das schnellste Rechengerät der Welt ein Supercomputer ist, wie etwa die bekannten „Sunway TaihuLight“ und „Tianhe-2“. Im Mai 2023 zeigte auch die neueste Ausgabe der Supercomputer TOP500, dass der Supercomputer Frontier am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den USA mit einer Leistung von 1.194 Eflop/s (Exaflops) das weltweit schnellste Ranking gewann.

Wissenschaftler und Ingenieure auf dem Gebiet der Quantenphysik nutzen jedoch die Quantentechnologie, um diese Geschichte umzukehren.

Frontier Classic-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory (ORNL)

(Bildnachweis: Carlos Jones/ORNL, US-Energieministerium)

Tatsächlich handelt es sich bei allen Computern, egal ob es sich um einen Supercomputer oder einen kommerziellen Laptop handelt, um klassische Computer. Im Vergleich zu klassischen Computern haben Quantencomputer theoretisch größere Vorteile.

Klassische Computer verwenden Bits als grundlegende Operationseinheit, die nur 0 oder 1 auf deterministische Weise darstellen können und zur Durchführung binärer Operationen an Daten verwendet werden. Quantencomputer hingegen verwenden eine völlig neue Art des Rechnens und ihre grundlegende Recheneinheit ist das Quantenbit (Qubit). Quantenbits haben die Eigenschaft der Superposition und können den Überlagerungszustand von 0 und 1 gleichzeitig darstellen. Das heißt, Quantenbits können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit gleichzeitig im Zustand 0 und im Zustand 1 sein.

Gerade aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaft von Quantenbits können Quantencomputer parallele Berechnungen in einem 0/1-Superpositionszustand durchführen und verfügen damit theoretisch über eine exponentiell höhere Rechenleistung als klassische Computer .

Quantencomputing vs. klassisches Computing

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Doch bevor Google seine neuen Ergebnisse veröffentlichte, existierten die Vorteile von Quantencomputern nur in der Theorie.

Obwohl der Physiker Richard Feynman das Konzept des Quantencomputers bereits 1981 vorschlug, ist es Quantenphysikern und Ingenieuren auf der ganzen Welt trotz unzähliger Zeit- und Energieaufwendungen noch immer nicht gelungen, einen universellen Quantencomputer zu bauen.

Im Jahr 2012 schlug der Quantenphysiker John Preskill das Konzept der „Quantenüberlegenheit“ vor. Es besagt, dass Quantencomputer die Fähigkeit nachweisen müssen, klassische Computer bei der Lösung spezifischer Probleme zu übertreffen und so Rechenaufgaben zu bewältigen, die selbst Supercomputer in kurzer Zeit nicht bewältigen können.

Richard Feynman (links); John Preskill (rechts)

(Bildquelle: Wikipedia)

Mit anderen Worten: Obwohl Quantencomputer theoretisch über Rechenkapazitäten verfügen, die weit über die klassischer Computer hinausgehen, müssen sie der Welt dieses Rechenpotenzial in der realen Welt unter Beweis stellen.

Obwohl die Entwicklung von Quantencomputern noch in den Kinderschuhen steckt und sie bei der Lösung eines bestimmten Problems möglicherweise keinen großen praktischen Wert haben, gibt es genügend Gründe für die Annahme, dass das Zeitalter des Quantencomputings anbricht, solange Quantencomputer ihre „Quantenüberlegenheit“ unter Beweis stellen können.

Teil 2

Quantencomputing vs. klassisches Computing: Eine Finte der Quantencomputer

Die Verwirklichung des Konzepts der „Quantenüberlegenheit“ gilt als wichtiger Meilenstein in der Geschichte der Quantencomputerentwicklung. Diese Art der „spezifischen Problemlösung“ muss in der Regel die folgenden zwei Bedingungen erfüllen:

Erstens eignet sich dieses Problem für die Verarbeitung mit Quantencomputern, wodurch das Potenzial des Quantencomputings freigesetzt wird.

Zweitens muss die Berechnung dieses Problems komplex genug für einen klassischen Computer sein, gleichzeitig muss die Richtigkeit der Berechnungsergebnisse jedoch noch von einem klassischen Computer überprüft werden können.

Zu dieser Art der „spezifischen Problemlösung“ gehören üblicherweise: „Quantum Random Circuit Sampling“, „Quantum Random Walk“ und Bose Sampling usw.

Solange ein Quantencomputer bei der Lösung dieses spezifischen Problems weitaus weniger Rechenressourcen verbraucht oder weitaus weniger Rechenzeit benötigt als der fortschrittlichste klassische Supercomputer, kann er seine „Quantenüberlegenheit“ voll unter Beweis stellen.

Sycamore, ein 53-Qubit-Quantencomputer

(Bildquelle: Referenz [1])

Um die „Quantenüberlegenheit“ zu erreichen, übernahm das Quantencomputerteam von Google bereits im Oktober 2019 die Führung bei der Durchführung von 20 Operationszyklen der Berechnungsaufgabe „Quanten-Random-Circuit-Sampling“ auf dem von dem Unternehmen entwickelten 53-Qubit-Quantencomputer „Sycamore“, insgesamt 1 Million Samples. Die erforderliche Berechnungszeit betrug nur 200 Sekunden und die Genauigkeit des endgültigen Berechnungsergebnisses lag bei 0,224 %. Würde man dasselbe Ergebnis mit Summit, dem damals schnellsten klassischen Supercomputer, berechnen, würde es etwa 10.000 Jahre dauern.

Infolgedessen behauptete das Quantencomputerteam von Google, als erstes die „Quantenüberlegenheit“ erreicht zu haben . Erwähnenswert ist, dass die Quantengattergenauigkeit des Quantencomputers „Sycamore“ ein sehr hohes Niveau erreicht hat. Die Genauigkeit von Einzel-Qubit-Gattern und Doppel-Qubit-Gattern hat 99,84 % bzw. 99,38 % erreicht, und die Erkennungsgenauigkeit hat ebenfalls 96,2 % erreicht. (Das Quantenbitgatter wird weiter unten erklärt)

Auch Sundar Pichai, der damalige CEO von Google, erklärte begeistert: „Auch wenn Quantencomputer bisher nur Fähigkeiten gezeigt haben, die klassische Computer bei der Lösung eines bestimmten Problems übertreffen, ist dies wie der erste erfolgreiche Testflug eines Flugzeugs der Gebrüder Wright und ein Meilenstein in der Geschichte der Entwicklung des Quantencomputings.“

Viele wissenschaftliche Forschungsgruppen und Forschungseinrichtungen stellten die Forschungsergebnisse von Google jedoch bald in Frage. Die von Google behauptete „Quantenüberlegenheit“ erwies sich als „Fehlalarm“ für Quantencomputer.

Teil 3

Die klassische Informatik schlägt zurück: Ich kann sogar schneller rechnen als Sie!

Tatsächlich ist die Rechenaufgabe der „Quantenzufallsschaltungsabtastung“ nicht so mysteriös. Einfach ausgedrückt besteht das Problem darin, aus einer Reihe von Quantengattern zufällig ein einzelnes Qubit-Gatter auszuwählen und es auf das Quantenbit anzuwenden, während zwischen jedem einzelnen Qubit-Gatter eine Schicht aus zwei Qubit-Gattern eingefügt wird.

Die hier erwähnten Qubit-Gatter werden verwendet, um bestimmte Operationen an Qubits durchzuführen, die den Logikgattern in der klassischen Informatik ähneln. Sie können den Zustand von Qubits ändern und ermöglichen uns, Quanteninformationen zu manipulieren und zu verarbeiten.

Zu den gängigen Quantenbitgattern zählen unter anderem Einzelquantenbitgatter und Doppelquantenbitgatter. Einzel-Qubit-Gatter werden verwendet, um ein einzelnes Qubit zu manipulieren, beispielsweise seinen Zustand zu ändern. Das Zwei-Qubit-Gatter dient der Ansteuerung zweier Qubits, um beispielsweise eine Interaktion und Verschränkung zwischen den Qubits zu erreichen. Durch die Kombination verschiedener Qubit-Gate-Operationen können komplexere Quantenschaltkreise konstruiert werden, um bestimmte Quantencomputeraufgaben auszuführen.

Die Rechenaufgabe der „Quanten-Zufallsschaltungsabtastung“ ist wie die Doppelkekse, die wir als Kinder gegessen haben. Einzel-/Doppelquantenbitgatter werden Schicht für Schicht gestapelt, sodass der endgültige Quantenbitzustand nach wiederholten Operationen gemessen wird (d. h. eine Abtastung abgeschlossen ist).

Schematische Darstellung der zufälligen Quantenschaltungsabtastung

(Bildquelle: Referenz [1])

Die ursprüngliche Absicht des Google-Teams bei der Auswahl dieser Rechenaufgabe war relativ einfach: Erstens haben viele Theoretiker bewiesen, dass die Rechenaufgabe der „Quantenzufallsschaltungsabtastung“ auf klassischen Computern ziemlich schwierig ist. zweitens ist diese Rechenaufgabe sehr gut für den von ihnen entwickelten Quantencomputer „Sycamore“ geeignet.

IBM stellte jedoch die Ergebnisse des Google-Teams in Frage. Denn durch effizientere Datenspeicherung und optimierte Berechnungen lässt sich die Zeit, die für die Aufgabe „Quanten-Random-Circuit-Sampling“ mit dem klassischen Supercomputer Summit benötigt wird, deutlich auf nur 2,5 Tage verkürzen!

Darüber hinaus stellte auch das Team um Zhang Pan vom Institut für Theoretische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften dieses Ergebnis in Frage. Sie schlugen eine neue Simulationsmethode vor, die die Rechenkomplexität erheblich reduzierte und das Problem innerhalb von 15 Stunden mit nur 512 Tesla V100-GPUs mit 32 GB Speicher lösen konnte. Beim Einsatz eines leistungsstärkeren klassischen Supercomputers lässt sich die benötigte Rechenzeit sogar auf einige zehn Sekunden verkürzen.

Optimierungsalgorithmus des Teams von Zhang Pan am Institut für Theoretische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

(Referenz [2])

Mit anderen Worten: Nach Hardware-Upgrades und Algorithmus-Optimierung kann die Rechenzeit klassischer Supercomputer sogar kürzer sein als die des Quantencomputers „Sycamore“ . Dies bedeutet, dass der Gegenangriff der klassischen Computertechnik erfolgreich war und Googles früheren Anspruch auf „Quantenüberlegenheit“ in Bezug auf die Rechenzeit zunichte gemacht hat.

Teil 4

Die Re-Evolution des Quantencomputings: Es ist Zeit, seine wahre Leistungsfähigkeit zu zeigen

Tatsächlich handelt es sich bei der „Quantenüberlegenheit“ selbst um einen Wettbewerb zwischen der aufkommenden Quanteninformatik und der ausgereiften klassischen Informatik, also um einen harmlosen Wettbewerb.

Einerseits werden Quantencomputer mit der Zeit bei bestimmten spezifischen Rechenaufgaben großes Potenzial zeigen, da die Anzahl der Quantenbits in Quantencomputern weiter zunimmt und ihre eigene Rechenfehlerrate weiter sinkt. Andererseits wird die Entwicklung von Quantencomputern die Optimierung der klassischen Datenverarbeitung und die Ressourcenintegration durch den Menschen weiter vorantreiben und dadurch die Algorithmuseffizienz und die technische Skalierbarkeit klassischer Computer kontinuierlich verbessern.

Dieses Mal hat sich das Quantencomputerteam von Google neu formiert und den Sycamore-Quantencomputer, der ursprünglich nur über 53 Qubits verfügte, zu einem Quantencomputer der zweiten Generation mit 70 Qubits aufgerüstet. Dieses Mal starteten sie mit ihren weiterentwickelten und verbesserten Quantencomputern eine neue Runde von Herausforderungen für klassische Computer.

Ergebnisse des Phasenänderungsproblems bei der zufälligen Schaltungsabtastung

(Bildquelle: Referenz [3])

Dieses Mal hat sich das Google-Team für das Phasenänderungsproblem bei der „Random Circuit Sampling“-Aufgabe entschieden (die einfach als verbesserte Version der „Quantum Random Circuit Sampling“-Aufgabe aus dem Jahr 2019 verstanden werden kann). In dem von ihnen veröffentlichten Artikel hieß es, dass die Rechenaufgabe mit einer neuen Generation von Quantencomputern sofort erledigt werden könne, während es mit dem neuesten Supercomputer Nummer eins, Frontier, 47,2 Jahre dauern würde.

Der neue Quantencomputer von Google hat ein Geschwindigkeitstestergebnis

(Bildquelle: Referenz [3])

Mit anderen Worten: Quantencomputer haben die „Quantenüberlegenheit“ „erneut“ bewiesen , und auch das Google-Team ist überzeugt, dass es diesmal nicht wieder „scheitern“ wird.

Teil 5

Hundert Boote konkurrieren in der Strömung: die allgegenwärtige chinesische Macht

Zu Beginn des Artikels wissen wir, dass die Methoden zur Überprüfung der „Quantenüberlegenheit“ nicht nur die Aufgabe „Quanten-Zufallsschaltungs-Sampling“, sondern auch die Aufgaben „Quanten-Zufallsgang“ und „Bose-Sampling“ umfassen. Darunter hat sich das Google-Team für die „Quantenzufallsschaltungsabtastung“ entschieden, und auch die Aufgabe der „Bose-Abtastung“ wird von den Physikern mit Spannung erwartet.

Die „Bose-Sampling“-Aufgabe wurde erstmals 2010 von den Quantenphysikern Scott Aaronson und Alex Arkhipov vorgeschlagen. Diese Rechenaufgabe eignet sich besonders für Rechenlösungen mit optischen Quantencomputern.

Haben Sie vom „Galton-Platten“-Experiment gehört? Dabei geht es darum, mehrere kleine Bälle gleichzeitig in die abgebildeten Löcher zu stecken oder einen einzelnen kleinen Ball mehrmals hineinzustecken. Am Ende fallen mehr Bälle in die Mitte, während weniger Bälle an den Seiten fallen.

Schematische Darstellung des „Galton-Platten“-Experiments

(Bildquelle: Wikipedia)

Die „Bose-Sampling“-Aufgabe ist eine Art „Galton-Platten“-Experiment in der Quantenwelt – die kleine Kugel wird zu einem Photon, und schließlich kann jeder Ausgang eine bestimmte Verteilung der Anzahl der Photonen erkennen, wodurch alle möglichen Sampling-Ergebnisse vervollständigt werden.

Obwohl die Aufgabe des „Bose-Samplings“ einfach erscheint, steigen mit zunehmender Anzahl der Photonen die erforderlichen Rechenressourcen und die Berechnungszeit exponentiell an, was den Schwierigkeitsgrad klassischer Supercomputerberechnungen erheblich erhöht.

Im Oktober 2021 entwickelte das Quantenteam der University of Science and Technology of China erfolgreich eine neue Generation des Quantencomputers „Jiuzhang-2“, der die Aufgabe „Bose-Sampling“ wählte, um die „Quantenüberlegenheit“ zu beweisen.

Quantencomputing-Prototyp „Jiuzhang-2“.

(Bildquelle: Offizielle Website der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Berichten zufolge verfügt der Quantencomputer „Jiuzhang-2“ über bis zu 113 optische Quantenbits und seine Rechengeschwindigkeit bei der „Bose-Sampling“-Aufgabe ist fast 10^24-mal schneller als die des derzeit schnellsten Supercomputers. Gleichzeitig bietet die Realisierung dieser Algorithmusaufgabe auch in Bereichen wie maschinellem Lernen und Computergrafik einen enormen potenziellen Wert.

Mit dieser Leistung wurde nicht nur der internationale Leistungsrekord für optische Quantencomputer gebrochen, sondern auch die Stärke der wissenschaftlichen Forschung Chinas bei der Überprüfung des hochaktuellen Themas „Quantenüberlegenheit“ unter Beweis gestellt. Auf der langen Reise des Quantencomputings hat es nie an chinesischer Macht gefehlt.

Teil 6

Die Überprüfung der „Quantenüberlegenheit“ – der erste Schritt auf einem langen Marsch

Allerdings wurde die Leistung des Quantencomputers der zweiten Generation, der vom Quantencomputerteam von Google entwickelt wurde, kontinuierlich verbessert und er hat Fähigkeiten zur Lösung spezifischer Probleme bewiesen, die die der leistungsstärksten klassischen Supercomputer von heute bei weitem übertreffen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Quantencomputer bestehende klassische Computer ersetzen können.

Aus rationaler Sicht ist das Konzept der „Quantenüberlegenheit“ selbst ziemlich umstritten: Dies liegt daran, dass das vom Google-Team zur Demonstration der „Quantenüberlegenheit“ verwendete Problem keinen großen praktischen Anwendungswert hat, sondern lediglich das einzigartige Rechenpotenzial des Quantencomputings demonstriert. Und während die klassische Informatik bei der Hardware-Upgrades und Algorithmus-Optimierung immer weiter voranschreitet, wird auch die Quanteninformatik immer wieder mit Gegenangriffen der klassischen Informatik konfrontiert sein.

Mit anderen Worten: Bevor ein universeller Quantencomputer tatsächlich gebaut ist, wird der Showdown zwischen Quantencomputing und klassischem Computing noch relativ lange andauern. Daher ist die Verifizierung der „Quantenüberlegenheit“ nur der erste Schritt in der Entwicklung des Quantencomputings und nicht der endgültige Sieg.

Entsprechend dem Entwicklungstrend von Quantencomputern lässt sich die aktuelle Entwicklung von Quantencomputern grob in drei Phasen unterteilen:

Phase 1: Die Fähigkeit, etwa 50 Qubits effektiv zu manipulieren und die „Quantenüberlegenheit“ bei der Lösung spezifischer Probleme experimentell zu demonstrieren, wurde erreicht.

Phase 2: Da Quantencomputer im Betrieb extrem anfällig für externe Störungen sind, wird eine große Anzahl redundanter Quantenbits benötigt, um die Quantenfehlerkorrektur im Betrieb zu implementieren. Man geht davon aus, dass Hunderte von Quantenbits effektiv manipuliert werden müssen, um die Schlüsseltechnologie der Quantenfehlerkorrektur zu erreichen und die praktischen Anwendungsszenarien des Quantencomputings weiter zu erforschen.

Die dritte Phase: Um einen programmierbaren universellen Quantencomputer zu bauen und letztendlich das Knacken von Verschlüsselungsschlüsseln und die Suche nach optimalen Optimierungen usw. zu erreichen, müssen etwa 100.000 bis 1 Million Quantenbits effektiv manipuliert werden.

Drei Phasen der Entwicklung des Quantencomputings

(Bildquelle: Tencent Quantum Laboratory)

Teil 7

Abschluss

Derzeit haben Quantencomputing und klassisches Computing jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile. Einerseits kann das Quantencomputing seine Vorteile nur bei der Lösung spezifischer Probleme unter Beweis stellen und kann das klassische Computing bei der Lösung praktischer Probleme nicht ersetzen. Andererseits erfordern die Rechenlösungen klassischer Supercomputer auch eine große Menge an Rechenressourcen und Energie und unterliegen dem „Mooreschen Gesetz“, was eine weitere Verbesserung der Rechenleistung erschwert.

Daher sollte das Erreichen der „Quantenüberlegenheit“ kein bestimmter Zeitknoten sein, sondern ein Zeitraum des Wettbewerbs zwischen dem aufkommenden Quantencomputing und dem sich ständig verbessernden klassischen Computing. Mit der Weiterentwicklung der Quantentechnologie erreichen wir die zweite Phase des Quantencomputings und bewegen uns auf die dritte Phase zu, die letztlich der Realisierung eines universellen Quantencomputers dient.

Quellen:

1. Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantenüberlegenheit mithilfe eines programmierbaren supraleitenden Prozessors. Nature 574, 505–510 (2019).

2. Feng Pan, Pan Zhang. Simulation der Sycamore-Quantenüberlegenheitsschaltungen.

3. Google Quantum AI und Mitarbeiter. Phasenübergang bei der Zufallsschaltungsabtastung.

Produziert von: Science Popularization China

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

Hersteller: China Science Expo

Dieser Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo