Wie können normale Menschen Quantencomputer nutzen?

Wie können normale Menschen Zugang zu echten Quantencomputern erhalten? Die Antwort lautet „Quantenwolke“; wie können wir Chinesen Zugang zu echten Quantencomputern erhalten? Die Antwort lautet: „Unsere eigene Quantenwolke“.

Geschrieben von Wuxie (Praktiker im Bereich Quantencomputing)

In letzter Zeit ist die „Quantenwolke“ zu einem heißen Wort in der Technologie geworden. Im Mai 2023 wird IBM den bereits veröffentlichten 433-Qubit-Prozessor „Osprey“ auf der Quanten-Cloud-Plattform auf den Markt bringen; Auf dem Ende Mai in Peking abgehaltenen Zhongguancun-Forum stellte das Beijing Institute of Quantum Information Sciences (kurz „Beijing Quantum Institute“) offiziell die Quantencomputer-Cloud-Plattform „Quafu“ vor, die gemeinsam vom Beijing Quantum Institute, dem Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Tsinghua-Universität entwickelt wurde. Das größte Quantencomputersystem kann 136 miteinander verbundene Quantenbits bereitstellen, die unabhängig voneinander gesteuert und gemessen werden können.

Vielen Menschen ist vielleicht nicht klar, was eine „Quanten-Cloud“ ist, oder sie bringen sie leicht mit Cloud Computing in Verbindung. Tatsächlich handelt es sich dabei um zwei völlig unterschiedliche Dinge. Heute sprechen wir über dieses mit Spannung erwartete Modell zur gemeinsamen Nutzung der Quantencomputerleistung – die Quanten-Cloud.

Ein supraleitendes Quantencomputersystem

Was ist eine Quantenwolke?

Lassen Sie uns zunächst kurz den Unterschied zwischen Quantencomputing und klassischem Computing erläutern. Die Rechenmethoden, die wir heute verwenden, darunter Computer, Mobiltelefone, Taschenrechner usw., basieren alle auf binärer Logik. Die niedrigste Informationsspeicher- und -verarbeitungseinheit wird als Bit bezeichnet. Ein Bit kann einen von zwei Zuständen haben, 0 oder 1. Eine große Anzahl von Bits wird über Schaltkreise miteinander verbunden und es werden eine Reihe logischer Operationen an ihnen ausgeführt, wie etwa „UND-Gatter, NAND-Gatter, XOR-Gatter“ usw., um schließlich den Zustand der Gruppe von Bits zu erhalten, die die Berechnungsergebnisse speichert, sodass verschiedene Operationen ausgeführt werden können. Wir nennen diese Art des Rechnens klassisches Rechnen.

Hier sehen wir die vier Elemente der Informatik: Das erste ist die Speichereinheit der Informationen – das Bit; die zweite ist eine Reihe allgemeiner Logikgatteroperationen, die auf das Bit einwirken; der dritte ist der Algorithmus, d. h. wie die Logikgatter organisiert und den Bits zugeordnet sind; Das letzte Element ist das Lesen. Auch das Quantencomputing erfordert diese Elemente und kann nach der Nutzung grundlegender Prinzipien wie Superposition und Verschränkung der Quantenmechanik viele Fähigkeiten aufweisen, die dem klassischen Computing fehlen.

Die grundlegende Informationsverarbeitungseinheit des Quantencomputings ist das Quantenbit, das einfachste Quantensystem – ein Zwei-Ebenen-System. Als Analogie können wir diese beiden Energieniveaus als 0 bzw. 1 bezeichnen. Aufgrund der Überlagerung von Quantenzuständen kann sich ein solches System in einem Überlagerungszustand von 0 und 1 befinden, d. h. das Quantenbit kann teilweise 0 und teilweise 1 sein. Diese Überlagerungseigenschaft verleiht Quantenbits die Fähigkeit, mehrere Zustände gleichzeitig auszudrücken, wodurch sie über bessere Möglichkeiten zur Informationskodierung verfügen. Wenn mehrere Quantenbits miteinander verbunden sind, können wir sie verschränken, eine Fähigkeit, die klassische Bits nicht besitzen.

Es ist schwierig, die Verschränkung von Quantenbits im Detail zu erklären, aber wir können es so verstehen: Bei verschränkten Bits muss der Informationsausdruck als Ganzes betrachtet werden, und seine Dimension wächst exponentiell mit der Zunahme der Anzahl der Bits. Dadurch wird ein exponentiell wachsender Codierungsraum für Berechnungen bereitgestellt, der theoretisch eine exponentielle Rechenbeschleunigung erreichen kann. Wenn es uns gelingt, ein solches Paar von Energieniveaus (also verschränkte Quantenbits) zu finden und es weiter auszudehnen, präzise Quantengatteroperationen an diesen Quantenbits durchzuführen, dann ihre Quantenzustände genau zu messen und schließlich gute Quantenalgorithmen zu entwerfen, können wir möglicherweise einige unglaublich effiziente Berechnungen durchführen. Tatsächlich gibt es Beispiele – den berühmten Shor-Algorithmus, der die Komplexität des Problems der Faktorisierung großer Zahlen auf das quasi-polynomische Niveau reduzieren kann; Theoretisch kann dieser Algorithmus die im Internet häufig verwendeten RSA-Passwörter oder elliptischen Kurvenpasswörter in sehr kurzer Zeit knacken, und man kann sagen, dass die erzeugte Bedrohungsstufe in direktem Zusammenhang mit der nationalen Sicherheit steht. Dies ist auch einer der Gründe, warum Länder massiv in die Quantencomputer-/Informationsbranche investieren.

In der Realität gibt es viele physikalische Systeme, die Quantenbits konstruieren können, die auf Photonen, Elektronen, Atomen, Molekülen, Atomkernen, Gitterdefekten usw. basieren können. Leser, die sich mit Quantencomputern auskennen, haben vielleicht schon von supraleitenden Quantencomputern, Ionenfallen-Quantencomputern, Halbleiter-Quantencomputern, optischen Quantencomputern usw. gehört. Dabei handelt es sich grundsätzlich um unterschiedliche technische Ansätze, die auf der Grundlage unterschiedlicher physikalischer Systeme entwickelt wurden, und auch ihr Fortschritt ist unterschiedlich. Supraleitung und Ionenfallen gelten derzeit als die beiden vielversprechendsten technischen Lösungen. Der Osprey-Prozessor von IBM und die Quantencomputer-Cloud-Plattform Quafu basieren beide auf supraleitenden Lösungen.

Unabhängig davon, ob es sich um supraleitende oder Ionenfallenlösungen handelt, befindet sich die von ihnen entwickelte (Quanten-)Hardware noch in der Anwendungsdemonstrationsphase. Die rasante Entwicklung der Branche erfordert eine Abstimmung zwischen Forschung und Entwicklung und praktischen Anwendungen. Einerseits besteht ein dringender Bedarf an sinnvollen, praktischen Anforderungen seitens der Anwendungsseite, damit die Forscher künftige Forschungsrichtungen und technische Wege präziser planen können. Auch die Anwendungsseite muss dringend eigene Algorithmen auf echter Quantenhardware testen und optimieren, um möglichst schnell einen tatsächlichen Nutzen zu generieren. Andererseits sind die technischen Hürden und Kapitalinvestitionen für Quantencomputer sehr hoch und hochwertige Ressourcen für Quantencomputer sind sehr knapp. Unabhängig davon, ob es sich um Universitäten und Forschungsinstitute handelt, die sich mit der theoretischen Erforschung von Quantenalgorithmen beschäftigen, oder um Unternehmen, die den Bedarf an Quantentechnologie erforschen, ist es schwierig, diese Quantencomputerressourcen zu erhalten. Daher benötigen Praktiker einen offenen Austauschmechanismus, um die F&E-Seite eng mit der Anwendungsseite zu verknüpfen. Derzeit sind alle der Meinung, dass die Quanten-Cloud-Plattform die beste Lösung sei.

P136 Quanten-Cloud-Leistung und Konnektivitätsansicht (Quelle: http://quafu.baqis.ac.cn/)

Wie baut man eine Quanten-Cloud-Plattform?

Wenn es ein fein kalibriertes Quantenchip-Mess- und -Steuerungssystem gibt, das eine Reihe von APIs (Anwendungsprogrammierschnittstellen) zum Internet öffnet, können wir über das Internet auf dieses Quantenmess- und -Steuerungssystem zugreifen, Quantenschaltkreise dorthin senden und die zurückgegebenen Messdaten erhalten. Wenn wir darüber hinaus einen relativ vollständigen Satz an Tools und Planungssystemen bereitstellen können, die den Benutzern dabei helfen, Quantenschaltkreise zu kompilieren und zu optimieren sowie Bitmapping durchzuführen, und sicherstellen, dass eine große Anzahl von Benutzern gleichzeitig darauf zugreifen kann, haben wir eine Quanten-Cloud-Plattform aufgebaut.

Es ist notwendig zu verstehen, was hier „Quantenmess- und -steuerungssystem“ und „Quantenschaltkreis“ sind. Im vorherigen Artikel haben wir einige Elemente der Computertechnik grob beschrieben: Informationsspeicher- und Verarbeitungseinheiten (Bits), einen vollständigen Satz allgemeiner Logikgatter, Algorithmen und das Lesen. Das Quantenmess- und Kontrollsystem soll die beiden Verknüpfungen der physikalischen Realisierung universeller Quantengatter und der Quantenzustandsauslesung lösen. Ersteres entspricht „Kontrolle“ und Letzteres entspricht „Messung“.

Wenn wir beispielsweise ein Einzelbit-Rotationsgatter verwenden und den Zustand eines Quantenbits QA um 180 Grad um die X-Achse drehen möchten, besteht die eigentliche Operation darin, einen resonanten Mikrowellenimpuls mit präziser Fläche auf QA anzuwenden. Solche Impulssignale werden im Allgemeinen von einem bei Raumtemperatur arbeitenden Wellengenerator bearbeitet und erzeugt, Quantenbits hingegen liegen bei extrem niedrigen Temperaturen. Wie können wir dieses Signal präzise in die Nähe des angegebenen Bits senden? Hierzu ist ein Kabel zur Verbindung der Impulsquelle mit der Steuerleitung des QA erforderlich. Das klingt einfach, ist aber sehr schwer zu erreichen. Wissenschaftler und Ingenieure müssen nicht nur sicherstellen, dass genügend Signale übertragen werden, sondern auch, dass möglichst wenig Wärme bei Raumtemperatur übertragen wird und dass thermisches Rauschen und andere Rauschquellen nicht über die Kabel in die Nähe der Quantenbits gelangen und dort Schäden verursachen. Hierzu müssen einerseits spezielle Niedertemperatur-Koaxialkabel verwendet werden, andererseits müssen nach und nach verschiedene Dämpfungsglieder, Filter und andere Geräte eingefügt werden, wobei die gesamte Verbindung sehr empfindlich ist. Zum Lesen müssen wir das extrem schwache Quantensignal schrittweise verstärken und zur Erfassung und Verarbeitung an eine Erfassungskarte bei Raumtemperatur übergeben. All diese Elektronik, Kabel, verschiedenen Mikrowellengeräte, Probenboxen usw., die zur Erzielung einer präzisen Quantengate-Steuerung und einer genauen Quantenzustandsablesung verwendet werden, sind der physische Teil des komplexen und hochentwickelten „Quantenmess- und -kontrollsystems“. Darüber hinaus ist auch der Softwareteil der Messung und Steuerung sehr wichtig. Es ist für die effiziente Verwaltung von Mess- und Steuergeräten, Wellenformsteuerung, Datenverarbeitung und -visualisierung sowie zugehörigen Toolketten usw. verantwortlich.

Schematische Darstellung eines Quantenmess- und Kontrollsystems | Bildquelle: IBM Quantum

Ein Quantenschaltkreis ist eine logische Sequenz, die durch die Anordnung der oben genannten Quantengatter und Messwerte entsprechend einem bestimmten Zweck gebildet wird. Der oben erwähnte Shor-Algorithmus ist im Wesentlichen ein Quantenschaltkreis. Es ist jedoch immer noch relativ abstrakt und erfordert im Allgemeinen einige Konvertierungen, bevor es auf einem echten Quantencomputer ausgeführt werden kann, wofür die Kompilierungs- und Optimierungstools von Quantum Cloud verwendet werden müssen. In einer offenen Quanten-Cloud können Benutzer eine Vielzahl von Quantenschaltkreisen einreichen, solange sie den grundlegenden Regeln entsprechen. Aufgrund dieser offenen Natur müssen Quantenwolken mit Situationen umgehen, die etwas komplexer sind als Quantenexperimente im Labor.

Man kann sich folgendes Szenario vorstellen: Benutzer greifen über Webseiten und Apps direkt auf echte Quantencomputerressourcen zu, und fortgeschrittene Benutzer können diese sogar in ihre eigenen Anwendungen integrieren, um ihre eigenen Quantenanwendungen zu erstellen. Alle diese Aufgaben können vom Büro aus erledigt werden, ohne dass man ein Quantencomputerlabor voller Kabel aufsuchen oder persönlich Instrumente bauen oder Kabel debuggen muss – dies ist eine Quanten-Cloud-Plattform, die tatsächlich genutzt werden kann. Es ist ersichtlich, dass die Quanten-Cloud die Hemmschwelle für Benutzer, Quantencomputerressourcen zu verwenden, erheblich gesenkt hat, sodass mehr Menschen ihre Ideen auf echten Quantencomputern schnell überprüfen und verbessern können. Der ultimative Weg, Quantencomputing in die praktische Anwendung zu bringen, besteht darin, mehr kluge Köpfe einzubeziehen.

Der Wettbewerb in der Quanten-Cloud ist hart, und unabhängige Forschung und Entwicklung sind der Schlüssel

Das erste Unternehmen, das Quantencomputing in Form einer Quanten-Cloud förderte, war IBM. Im Jahr 2016 starteten sie die erste 5-Qubit-Quantenwolke. Bis heute hat IBM nicht weniger als 25 Quanten-Cloud-Computing-Plattformen auf den Markt gebracht und die derzeit öffentlich zugänglichen Systeme enthalten bis zu 433 Quantenbits. Seit 2017 erforschen Teams in meinem Land dieses Modell. Die erste davon war die 12-Bit-Quantencomputer-Cloud-Plattform, die vom Institut für Quanteninformation und Quantentechnologie-Innovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eingeführt wurde. Derzeit stellen viele Forschungseinrichtungen und Unternehmen der Außenwelt Quanten-Cloud-Dienste zur Verfügung. Die auf dem Zhongguancun-Forum vorgestellte Quanten-Cloud-Plattform Quafu ist die erste Quanten-Cloud mit einer Größe von über 100 Bit, die in meinem Land eingeführt wurde. Seine Bedeutung ist tatsächlich sehr groß. Die Komplexität des Quantencomputings im Maßstab von Hunderten von Quantenbits hat im Vergleich zu früher stark zugenommen, vom Chipdesign über das Layout der Schaltungen bei extrem niedrigen Temperaturen und die Integration der Mess- und Steuerelektronik bis hin zur Systemarchitektur der Mess- und Steuersoftware. In Kombination mit einem Softwaresystemdesign und Tests auf höherer Ebene, wie etwa Kompilierung, Optimierung und Cloud-Frontend, kann man von einer systematischen Herausforderung im Bereich der Quantentechnik sprechen.

Die USA verfügen derzeit über die fortschrittlichste Quanten-Cloud-Technologie und auch das darauf basierende Ökosystem für Quantenanwendungen ist umfassender gestaltet. Es ist zu beachten, dass ausländische Quanten-Clouds China bereits große Beschränkungen auferlegt haben und wir schon lange keinen Zugriff mehr auf die besten und fortschrittlichsten Quantenressourcen haben (China kann nur mit weniger Bits auf das frühere Quanten-Cloud-System von IBM zugreifen). Daher ist die unabhängige Forschung und Entwicklung hochwertiger Quanten-Cloud-Plattformen in China von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der Quantencomputertechnologie und den Aufbau eines industriellen Ökosystems in meinem Land.

Das Quantencomputersystem von IBM wurde online gestellt, und der 433-Qubit-Osprey-Prozessor wurde zum ersten Mal online gestellt (Quelle:
https://quantum-computing.ibm.com/)

Schließlich sollten wir uns auch darüber im Klaren sein, dass zwischen China und IBM eine Lücke beim Aufbau der Quanten-Cloud besteht und dass der Aufbau des Ökosystems für Quantencomputeranwendungen rund um die Quanten-Cloud gerade erst begonnen hat und noch ein weiter Weg vor uns liegt. Auf diesem Weg brauchen wir mehr Wissenschaftler, Ingenieure und Unternehmer aus unterschiedlichen Bereichen, die zusammenarbeiten und vorankommen. Ich hoffe, dass die Quantencomputertechnologie meines Landes stetig voranschreiten kann, indem wissenschaftliche Forschung und Industrie Hand in Hand voranschreiten, und dass sie auf diesem bahnbrechenden neuen Gebiet die Weltspitze erreicht!

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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