„Zu Chongzhi“ hat ein neues Produkt auf den Markt gebracht. Was genau ist die Quantencomputing-Cloud-Plattform?

Produziert von: Science Popularization China

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

Hersteller: China Science Expo

Letzte Woche wurde eine „Zu Chongzhi“-Maschine, die auf supraleitenden Quantencomputerlösungen basiert, offiziell auf der Quantencomputer-Cloud-Plattform eingeführt und steht Benutzern weltweit zur Verfügung.

Berichten zufolge wurde die Quantencomputer-Cloud-Plattform „Zu Chongzhi“ gemeinsam von mehreren Einheiten entwickelt, darunter dem Institut für Quanteninformation und Quantentechnologie-Innovation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Aktuell können Anwender bis zu 176 Quantenbits für Online-Tests nutzen und selbst programmierte Quantenalgorithmen ausführen. Dies deutet darauf hin, dass die Quantencomputer-Cloud-Plattform meines Landes nicht nur den Bitanzahlrekord für supraleitende Quantencomputer aufgefrischt hat, sondern dass auch die Designindikatoren der neuen Generation damit verbundener Quantencomputer auf ein international fortgeschrittenes Niveau ausgerichtet sind.

Supraleitender Quantencomputer

(Fotoquelle: Nachrichtenagentur Xinhua)

Die Quantencomputing-Cloud-Plattform ist eine neue Computerplattform, die Quantencomputing-Technologie mit der Internet-Cloud-Plattform kombiniert. Es bietet der Öffentlichkeit eine Plattform für den Fernzugriff und die Nutzung von Ressourcen und Diensten der Quantentechnologie, einschließlich der Auswahl von Quantenbits (Qubits), der Funktionsweise von Quantenlogikgattern und der Ausführung entsprechender Quantenalgorithmen.

Ähnlich wie herkömmliche Cloud-Computing-Plattformen können Quantencomputing-Cloud-Plattformen mehreren Benutzern gleichzeitig Quantencomputing-Ressourcen und -Dienste bereitstellen, wodurch die Ressourcennutzung verbessert und die Entwicklung und Anwendung der Quantencomputing-Technologie beschleunigt wird, sodass mehr Menschen an der Forschung und Entwicklung des Quantencomputings teilnehmen können.

Was also ist das Magische an der Cloud-Plattform für Quantencomputer? Warum so verzweifelt versuchen Wissenschaftler, es zu erforschen?

Science-Fiction wird Realität: Quantencomputing ist auch zu Hause möglich

Wenn wir über Quantencomputing sprechen, kommen uns oft Szenen aus Science-Fiction-Romanen in den Sinn, was die Neugier aller auf das Thema Quantencomputing noch weiter weckt. Der Hauptgrund, warum Quantencomputing mysteriös klingt, liegt darin, dass es einige Konzepte und Prinzipien beinhaltet, die sich völlig von denen des klassischen Computings unterscheiden, und dass es viele rätselhafte und überraschende Eigenschaften aufweist.

In der klassischen Datenverarbeitung verwenden Computer Bits zur Darstellung von 0- oder 1-Zuständen, um Datenanalysen und Berechnungen durchzuführen. Beim Quantencomputing werden Quantenbits verwendet, um die Überlagerung von Zustand 0 und Zustand 1 darzustellen. Dieser Überlagerungszustand verleiht Quantencomputern die einzigartige Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten.

Beispielsweise kann ein Quantencomputer mit zwei Qubits die vier Möglichkeiten |00⟩, |01⟩, |10⟩ und |11⟩ gleichzeitig verarbeiten, während ein klassischer Computer jeden Zustand einzeln berücksichtigen müsste. Dies bedeutet, dass mit der Zunahme der Anzahl N der Quantenbits die Rechenleistung von Quantencomputern schnell und exponentiell mit der Potenz 2 hoch N ansteigt und somit eine Superrechenleistung darstellt, die mit der klassischen Computertechnik nur schwer zu erreichen ist.

Konzeptkarte des Quantencomputings

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Allerdings steckt die Entwicklung des Quantencomputings vom Labor bis zur Industrie noch in den Kinderschuhen. Die meisten ihrer Geräte sind komplex, teuer und erfordern eine sorgfältige Wartung durch professionelle Forscher, sodass es für sie schwierig ist, in kurzer Zeit in Tausende von Haushalten einzudringen. Selbst wenn die derzeit gängigen physikalischen Lösungen (wie supraleitende Quantenbits, optische Quantenbits und gefangene Ionen) übernommen werden, ist die Anzahl der Quantenbits in einem Quantencomputer immer noch sehr begrenzt und er kann seine Vorteile nur bei bestimmten algorithmischen Problemen unter Beweis stellen.

Daher besteht dringender Bedarf an einer Kommunikationsbrücke, die „Labore-Industrie-normale Benutzer“ verbindet, damit die drei Parteien gemeinsam an der Forschung und Anwendung des Quantencomputings teilnehmen und die Entwicklung der Quantencomputing-Technologie beschleunigen können.

Glücklicherweise bietet das Quantencomputing auf Basis der Internet-Cloud-Plattform eine Brücke für eine solche Kommunikation und eröffnet so den Weg für die Verbindung von Industrie, Universität und Forschung. Seine Entstehung ähnelt dem Aufstieg des World Wide Web in den 1990er Jahren und ermöglichte unzähligen normalen Benutzern die Teilnahme, wodurch eine aktivere Community-Ökologie aufgebaut und die potenziellen Anwendungen des Quantencomputings schrittweise erkundet wurden.

World Wide Web-Diagramm

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Was nützt das? Sehr nützlich

Das Aufkommen von Cloud-Plattformen für Quantencomputer bietet Forschern und normalen Benutzern Komfort und ermöglicht es Benutzern, das Potenzial des Quantencomputers auszuschöpfen und neue Anwendungen und Algorithmen zu erkunden. Werfen wir unten einen Blick auf die Verwendungsmöglichkeiten!

Für Quantensimulationen können Quantencomputing-Cloud-Plattformen verwendet werden. Mit der Cloud-Plattform lässt sich das Verhalten komplexer Systeme wie physikalischer Systeme und Molekülstrukturen simulieren. Dies ist von großer Bedeutung für die Forschung in Bereichen wie der Entwicklung neuer Arzneimittel, der Materialwissenschaft und der chemischen Reaktionen. Durch die Simulation der Wechselwirkungen von Molekülen können Wissenschaftler beispielsweise schneller neue Medikamente entwickeln und die Eigenschaften von Materialien optimieren.

Es kann auch für Optimierungsprobleme verwendet werden. Cloud-Plattformen können einige Optimierungsprobleme lösen, die in der klassischen Datenverarbeitung sehr zeitaufwändig sind, wie etwa das Problem des Handlungsreisenden und die Logistikoptimierung. Durch die Nutzung der Vorteile von Quantenalgorithmen können schnellere und effizientere Lösungen bereitgestellt und so die Routenplanung, Ressourcenzuweisung und andere Probleme des täglichen Lebens verbessert werden.

Darüber hinaus kann es auch zur Verschlüsselung und erhöhten Sicherheit verwendet werden. Quantencomputing hat potenzielle Auswirkungen auf den Bereich der Kryptographie. Mithilfe von Cloud-Plattformen können Verschlüsselungsalgorithmen erforscht und entwickelt werden, die gegen Quantencomputerangriffe resistent sind. Dies trägt dazu bei, die Sicherheit der Netzwerkkommunikation und Datenübertragung zu verbessern und die Privatsphäre und Geschäftsgeheimnisse zu schützen.

Verschlüsselungsdiagramm

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Auch wenn die breite Öffentlichkeit möglicherweise nicht über umfassende Fachkenntnisse und Erfahrungen verfügt, kann sie über Cloud-Plattformen auf Quantencomputerressourcen zugreifen und die Vorteile der entsprechenden Algorithmen und Anwendungen nutzen. Die Cloud-Plattform bietet Benutzern eine vereinfachte Benutzeroberfläche und Tools, mit denen sie das Potenzial des Quantencomputings nutzen können, ohne selbst einen Quantencomputer bauen und warten zu müssen.

So öffnen Sie die Quantencomputing-Cloud-Plattform richtig

Da die Cloud-Plattform für Quantencomputer so gut ist, stellt sich die Frage, wie wir normalen Benutzer sie nutzen können. Ähnlich wie beim Zugriff auf Cloud-Server erfordert auch die Verwendung von Cloud-Plattformen für Quantencomputer die Verwendung persönlicher Geräteterminals und des Internets für den Fernzugriff auf Quantencomputer. Mit anderen Worten: Normale Benutzer müssen auf ihrem PC nur mit der Maus klicken, um auf den legendären, mysteriösen Quantencomputer zuzugreifen und ihn zu verwenden, um bestimmte Aufgaben im Zusammenhang mit Quantenalgorithmen zu erledigen.

Cloud-Computing-Diagramm

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Natürlich variieren die spezifischen Nutzungsmethoden je nach Dienstanbieter der verschiedenen Cloud-Plattformen für Quantencomputer, genau wie wir bei der Verwendung von Computern unterschiedliche Betriebssysteme wählen. Im Allgemeinen lässt sich die Nutzung einer Cloud-Plattform für Quantencomputer in den folgenden Schritten zusammenfassen:

1. Registrierung und Anmeldung

2. Rechenressourcen auswählen und Aufgaben erstellen

Wählen Sie abhängig von den erforderlichen Algorithmusaufgaben die erforderlichen Quantencomputerressourcen aus, einschließlich der Anzahl der Quantenbits, der Art und der Parameter der Quantengatteroperationen usw. Generell gilt: Je mehr Quantenbits vorhanden sind, desto komplexere Algorithmusaufgaben können ausgeführt werden, allerdings steigt auch die Fehlerrate. Daher bieten einige Plattformen eine unterschiedliche Auswahl an Quantencomputerressourcen, um unterschiedliche Aufgabenanforderungen zu erfüllen.

3. Quantenalgorithmen schreiben und Aufgaben ausführen

Normale Benutzer können die von der Plattform bereitgestellten Entwicklungstools zum Schreiben von Quantenalgorithmen verwenden. Die Plattform bietet normalerweise auch Beispielcode und Algorithmusfälle, um jedem den Einstieg zu erleichtern und ihm die Verwendung der Cloud-Plattform für Quantencomputer zu erklären. Sobald der Quantenalgorithmus geschrieben ist, kann die Aufgabe übermittelt und direkt über die von der Plattform bereitgestellte interaktive Schnittstelle ausgeführt werden.

4. Aufgabenfortschritt und Ergebniserfassung

Um den Ausführungsstatus der Aufgabe anzuzeigen, kann die Cloud-Plattform für Quantencomputer auch Tools zur Aufgabenüberwachung in Echtzeit bereitstellen, um den Fortschritt der Aufgabe zu verfolgen und so allen zu helfen, den Ausführungsprozess der Aufgabe besser zu verstehen. Wenn die Aufgabe abgeschlossen ist, können wir die Berechnungsergebnisse von der Plattform abrufen, die normalerweise die Messergebnisse von Quantenbits, die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Berechnungen und die entsprechenden Optimierungsergebnisse umfassen.

Daher bietet die Entstehung von Cloud-Plattformen für Quantencomputer normalen Benutzern die Möglichkeit, auf Quantencomputerressourcen zuzugreifen und diese zu nutzen, und fördert so die Entwicklung und Anwendung der Quantencomputertechnologie. Normale Benutzer müssen keine teure Quantencomputerausrüstung kaufen und warten. Nach einer einfachen Schulung können sie auf Quantencomputerressourcen zugreifen und diese verwenden, um komplexe Quantencomputeraufgaben auszuführen.

Kommen Sie und probieren Sie verschiedene "Stile"

Derzeit gibt es einige große Cloud-Plattformen für Quantencomputer auf dem Markt. Sie werden von in- und ausländischen Technologieunternehmen entwickelt und verfügen über ihre eigenen einzigartigen Quantencomputer-Community-Ökosysteme. Hier sind einige der bekannten Quanten-Cloud-Computing-Plattformen und ihre einzigartigen Vorteile:

IBM Q Experience: Dieser Cloud-Dienst für Quantencomputing wurde bereits 2017 zum kostenlosen Testen für die Öffentlichkeit bereitgestellt. Es bietet einen vollständigen Satz von Entwicklungstools für Quantencomputer, mit denen Benutzer erforderliche Algorithmusaufgaben frei schreiben und ausführen können. Gleichzeitig können Benutzer über die Online-Cloud-Plattform oder über Qiskit in der Programmiersprache Python auf Quantencomputerressourcen zugreifen und diese nutzen.

IBM Q-Erfahrung

(Bildnachweis: IBM Research/CC BY-ND 2.0)

Azure Quantum: Im Jahr 2019 erschien auch eine vollständig offene Cloud-Plattform für Quantencomputing, Azure Quantum. Die Plattform ermöglicht Benutzern den Zugriff auf und die Nutzung von Quantenhardware von drei verschiedenen Herstellern und unterstützt die Verwendung des Open-Source-Quantum Development Kit (QDK), klassischer Azure-Computer und eines Quantensimulators, um sich an die unterschiedlichen Aufgabenanforderungen der Benutzer anzupassen.

Amazon Braket: Diese Cloud-Plattform für Quantencomputing entstand Ende 2019 und unterstützt die Entwicklung und Prüfung von Quantenalgorithmen mithilfe mehrerer Programmiersprachen (wie Python und Qiskit). Darüber hinaus bietet es auch Zugriffsports auf drei bekannte Quanten-Back-End-Geräte: IonQ, Rigetti und D-Wave, die drei physikalische Implementierungsmethoden des Quantencomputings darstellen, nämlich Ionenfalle, supraleitendes Quantencomputing und Temperquantencomputing.

Amazon Braket

(Bildquelle: Amazon)

Zusätzlich zu den verschiedenen „Stilen“ im Ausland wurden auch in China verschiedene Cloud-Plattformen für Quantencomputer eingeführt, und immer mehr Forschungseinrichtungen beteiligen sich an der Forschung und Entwicklung von Cloud-Plattformen. Letzte Woche stellten das Beijing Institute of Quantum Information Science, das Institute of Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und die Tsinghua-Universität auf der Zhongguancun Forum Exhibition (Sci-Tech Expo) 2023 der Öffentlichkeit eine neue Generation einer Quantencomputer-Cloud-Plattform namens „Quafu“ vor und erregten damit im In- und Ausland große Aufmerksamkeit.

(Bildquelle: Offizielle Quafu-Website)

Abschluss

Die Quantencomputing-Cloud-Plattform ist eine Netzwerkplattform, die Quantencomputer „in“ Tausende von Haushalten bringt. Ich bin davon überzeugt, dass mit dem technologischen Fortschritt und der Entwicklung von Quantencomputern in Zukunft mehr Cloud-Plattformen für Quantencomputer auftauchen werden, aus denen normale Benutzer auswählen können, und dass zukünftige Cloud-Plattformen auch über leistungsfähigere Funktionen verfügen werden. Warten wir es ab!