Haben Sie jemals die IQ-Steuer der „Quantenteetasse“ bezahlt? Quantencomputing: Die Lösung zur Verbesserung der Rechenleistung in der Post-Moore-Ära

„Quanten“ sind derzeit ein heißes Forschungsgebiet. Als Zuschauer haben Sie vielleicht den Witz „Im Zweifelsfall wenden Sie sich an die Quantenmechanik“ gehört oder die IQ-Steuer für die „Quantenteetasse“ bezahlt … Aber was genau ist Quantentechnologie? Wussten Sie? Mit dem Schwerpunkt auf dem Thema Quanteninformationstechnologie hat das Team des Akademikers Pan Jianwei diesen populärwissenschaftlichen Artikel verfasst, der eine relativ umfassende Einführung und einen Ausblick auf die Quanteninformationstechnologie bietet.

Quantencomputing ist ein neues Computermodell, das auf der Quantenmechanik basiert. Es verfügt über leistungsstarke parallele Rechenfunktionen, die die klassische Datenverarbeitung prinzipiell bei weitem übertreffen. Es bietet Lösungen für groß angelegte Rechenprobleme, die für künstliche Intelligenz, Kryptoanalyse, Wettervorhersage, Ressourcenerkundung, Arzneimittelentwicklung usw. erforderlich sind, und kann komplexe physikalische Mechanismen wie Quantenphasenwechsel, Hochtemperatur-Supraleitung und Quanten-Hall-Effekt aufdecken.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die zum Speichern von Informationen Bits mit den Werten 0 oder 1 verwenden, verwendet das Quantencomputing Quantenbits als Grundeinheit für die Kodierung und Speicherung von Informationen. Basierend auf dem Superpositionsprinzip der Quantenmechanik kann sich ein Quantenbit gleichzeitig in einer kohärenten Superposition der beiden Zustände 0 und 1 befinden, d. h., es kann zur Darstellung der beiden Zahlen 0 und 1 verwendet werden. Im weiteren Sinne können n Quantenbits die Superposition von 2n Zahlen darstellen, sodass eine Quantenoperation im Prinzip parallele Operationen an 2n Superpositionszahlen gleichzeitig durchführen kann, was äquivalent zu einem klassischen Computer ist, der 2n Operationen durchführt. Daher bietet das Quantencomputing eine Möglichkeit, grundsätzlich paralleles Rechnen zu erreichen und hat das Potenzial, die Rechenleistung klassischer Computer bei weitem zu übertreffen.

Ähnlich wie klassische Computer können auch Quantencomputer das Framework von Turingmaschinen nutzen, um allgemeine Quantenoperationen durchzuführen, indem sie programmierbare logische Operationen auf Quantenbits ausführen und dadurch eine deutliche Steigerung der Rechenleistung oder sogar eine exponentielle Beschleunigung erreichen. Ein typisches Beispiel ist der 1994 vorgeschlagene Quantenalgorithmus zur schnellen Primfaktorzerlegung (Shor-Algorithmus). Die Rechenkomplexität der Primfaktorzerlegung ist die Grundlage für die Sicherheit des weit verbreiteten RSA-Public-Key-Kryptosystems. Wenn man beispielsweise einen klassischen Computer, der eine Billion Rechenoperationen pro Sekunde ausführen kann, zum Zerlegen einer 300-stelligen Zahl verwendet, würde dies mehr als 100.000 Jahre dauern; Wenn jedoch ein Quantencomputer mit der gleichen Rechengeschwindigkeit zur Ausführung von Shors Algorithmus verwendet wird, dauert dies nur 1 Sekunde. Sobald Quantencomputer erfolgreich entwickelt sind, werden sie daher enorme Auswirkungen auf das klassische Informationssicherheitssystem haben.

Entwicklungsstufen des Quantencomputings

Die Rechenleistung von Quantencomputern wächst exponentiell mit der Anzahl der Quantenbits, daher ist die Kernaufgabe der Quantencomputerforschung die kohärente Manipulation mehrerer Quantenbits. Basierend auf dem Ausmaß der kohärenten Manipulation von Quantenbits geht die internationale akademische Gemeinschaft im Allgemeinen davon aus, dass das Quantencomputing die folgenden Entwicklungsstadien aufweist:

Die erste Stufe besteht darin, die „Quantencomputer-Überlegenheit“ zu erreichen, d. h., die Rechenleistung von Quantencomputern für bestimmte Probleme übertrifft die von klassischen Supercomputern. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine kohärente Manipulation von etwa 50 Quantenbits erforderlich. Im Jahr 2019 erreichte das US-Unternehmen Google als erstes Unternehmen „Quantencomputer-Überlegenheit“ bei supraleitenden Schaltungssystemen. mein Land erreichte 2020 die „Überlegenheit im Quantencomputing“ bei photonischen Quantensystemen und 2021 bei supraleitenden Schaltungssystemen . Derzeit ist mein Land das einzige Land der Welt, das diesen Meilenstein bei zwei physikalischen Systemen erreicht hat.

Die zweite Phase besteht darin, einen dedizierten Quantensimulator zu realisieren, d. h. Hunderte von Quantenbits kohärent zu manipulieren und sie auf spezifische Probleme wie kombinatorische Optimierung, Quantenchemie, maschinelles Lernen usw. anzuwenden, um Materialdesign, Arzneimittelentwicklung usw. zu steuern. Das Erreichen dieser Phase wird fünf bis zehn Jahre dauern und ist die aktuelle Hauptforschungsaufgabe.

Die dritte Phase besteht darin, einen programmierbaren universellen Quantencomputer zu realisieren, d. h., mindestens Millionen von Quantenbits kohärent zu manipulieren, was beim Knacken klassischer Kryptografie, bei der Suche nach großen Datenmengen, in der künstlichen Intelligenz usw. eine enorme Rolle spielen kann. Da Quantenbits leicht durch Umgebungsrauschen beeinflusst werden und Fehler verursachen können, ist es bei groß angelegten Quantenbitsystemen eine unabdingbare Voraussetzung, den korrekten Betrieb des gesamten Systems durch Quantenfehlerkorrektur sicherzustellen, was auch für eine gewisse Zeit die größte Herausforderung darstellt. Aufgrund technischer Schwierigkeiten ist unklar, wann ein universeller Quantencomputer realisiert wird. Die internationale Wissenschaftsgemeinschaft geht allgemein davon aus, dass es 15 Jahre oder sogar länger dauern wird.

Derzeit wird international systematisch an verschiedenen physikalischen Systemen geforscht, die skalierbares Quantencomputing ermöglichen sollen. mein Land hat die Forschungsplanung für alle wichtigen Quantencomputersysteme abgeschlossen und ist, neben der Europäischen Union und den Vereinigten Staaten, zu einem der drei Länder (Regionen) mit einer vollständigen Planung geworden.

Supraleitendes Quantencomputing holt auf

Derzeit sind Google, IBM und die University of Science and Technology of China die drei weltweit führenden Unternehmen in der supraleitenden Quantencomputerforschung. Im Oktober 2019, nach mehr als zehn Jahren kontinuierlicher, massiver Investitionen in Quantencomputer, gab Google offiziell bekannt, dass Experimente die „Überlegenheit des Quantencomputers“ bewiesen hätten. Sie bauten einen Quantenprozessor mit 53 supraleitenden Quantenbits und nannten ihn „Sycamore“. Bei der spezifischen Aufgabe der zufälligen Schaltungsabtastung zeigte „Planeta“ eine Rechenleistung, die die von Supercomputern weit übertrifft.

Im Mai 2021 baute die University of Science and Technology of China den „Zu Chongzhi“, einen 62-Bit-supraleitenden Quantencomputer-Prototyp mit der damals weltweit größten Anzahl an Quantenbits, und realisierte programmierbare zweidimensionale Quantenspaziergänge. Auf dieser Grundlage wurde das 66-Bit „Zu Chongzhi Nr. 2“ weiter realisiert. „Zu Chongzhi Nr. 2“ verfügt über die Programmierfähigkeit, jeden Quantenalgorithmus auszuführen und realisiert die schnelle Lösung der Quantenzufallsschaltungsabtastung. Laut dem derzeit öffentlich verfügbaren optimierten klassischen Algorithmus kann „Zu Chongzhi Nr. 2“ Quantenzufallsschaltungs-Samplingprobleme 10 Millionen Mal schneller verarbeiten als der schnellste derzeit verfügbare Supercomputer, und seine Rechenkomplexität ist 1 Million Mal höher als die von Googles „Platanus“.

Quantencomputerforschung in anderen Systemen

Auch physikalische Systeme wie Ionen und siliziumbasierte Quantenpunkte verfügen über das Potenzial zur Multibit-Erweiterung und Fehlertoleranz und sind ein heißes Thema in der internationalen Quantencomputerforschung. mein Land hat spät mit der Erforschung des Quantencomputings in Ionensystemen begonnen und befindet sich derzeit insgesamt in einer Aufholphase. Zu den führenden Forschungseinrichtungen des Landes zählen die Tsinghua-Universität, die University of Science and Technology of China und die National University of Defense Technology. Sie haben eine große Anzahl von Schlüsseltechnologien in den Grundelementen des Quantencomputings angesammelt, wie etwa die Herstellung von Ionenfallen, die Kohärenzretentionszeit einzelner Ionen, hochpräzise Quantenlogikgatter und Multibit-Quantenverschränkung. mein Land steht im Bereich des Quantencomputings mit siliziumbasierten Quantenpunkten auf Augenhöhe mit den großen internationalen Forschungskräften. Darüber hinaus ist die Nutzung topologischer Systeme zur Erzielung universeller Quantencomputer aufgrund der Überlegenheit topologischer Quantencomputer hinsichtlich der Fehlertoleranz ein wichtiges langfristiges Forschungsziel auf internationaler Ebene. Derzeit werden sowohl im Inland als auch im Ausland Anstrengungen unternommen, um den „0 auf 1“-Durchbruch eines einzelnen topologischen Quantenbits zu erreichen.

Die Zukunft des Quantencomputings

Nach Erreichen des Etappenziels „Überlegenheit im Quantencomputing“ wird sich die zukünftige Entwicklung des Quantencomputings auf zwei Aspekte konzentrieren:

Erstens: Verbessern Sie die Leistung des Quantencomputings weiter. Um fehlertolerantes Quantencomputing zu erreichen, muss zunächst überlegt werden, wie der Maßstab von Quantencomputingsystemen mit hoher Präzision erweitert werden kann. Bei der Realisierung der Erweiterung von Quantenbits sind Anzahl und Qualität der Bits äußerst wichtig. Jedes Glied im Experiment (Vorbereitung, Manipulation und Messung von Quantenzuständen) muss eine hohe Präzision und geringes Rauschen aufweisen. Mit zunehmender Anzahl von Quantenbits nehmen auch die durch Faktoren wie Rauschen und Übersprechen verursachten Fehler zu. Dies stellt eine enorme Herausforderung für den Entwurf, die Verarbeitung und die Regulierung von Quantensystemen dar und erfordert noch immer eine große Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Technik.

Das zweite Ziel besteht darin, die Anwendung des Quantencomputings zu erforschen. Es wird erwartet, dass die Quanteninformatik in den nächsten fünf Jahren Tausende von Bits überschreiten wird. Obwohl fehlertolerantes allgemeines Quantencomputing derzeit nicht erreicht werden kann, hoffen die Wissenschaftler, das Stadium des verrauschten Quantencomputings (NISQ) zu erforschen und das Quantencomputing in Bereichen wie maschinellem Lernen und Quantenchemie anzuwenden, um kurzfristige Anwendungen zu schaffen.