Suche nach „MOSS“ in der realen Welt (Teil 1): Ist eine so große Rechenleistung wirklich möglich?

Produziert von: Science Popularization China

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

Hersteller: China Science Expo

Der vor einiger Zeit populäre Science-Fiction-Film „The Wandering Earth 2“ entfachte die grenzenlose Vorstellungskraft der Menschen hinsichtlich zukünftiger Technologien. Dieser Film spielt in den 2040er Jahren und zeigt eine Reihe „schwarzer Technologien“ – von in der Tiefsee versunkenen Rechenzentren über „Planetenmotoren“, die die Erde zum Wandern antreiben, bis hin zu „digitalem Leben“ mit autonomem Bewusstsein. Hinter diesen „schwarzen Technologien“ verbirgt sich in den Filmen immer der „intelligente Quantencomputer 550W“ (MOSS).

Basierend auf der exponentiellen Rechenleistung von Quantencomputern kann „MOSS“ nicht nur Rechenressourcen rund um die Welt integrieren und verteilen, um den koordinierten Betrieb von 10.000 „Planetenmaschinen“ auf der ganzen Welt zu gewährleisten, sondern auch den enormen Rechenleistungsbedarf des „Digital Life Project“ decken, wodurch die grenzenlose Vorstellungskraft aller hinsichtlich zukünftiger Quantencomputer befriedigt werden kann.

MOSS in „Die wandernde Erde 2“

(Bildquelle: Standbilder aus „The Wandering Earth 2“)

Wenn Träume wahr werden: „MOSS“ in der realen Welt finden

Stellen Sie sich also vor, wenn wir uns beim Bau eines echten Quantencomputers auf die Einstellung „MOSS“ in „The Wandering Earth 2“ beziehen möchten, müssen wir die Leistungsbeschreibung von „MOSS“ im Film überprüfen.

Zunächst einmal ist „MOSS“ der neueste Quantencomputer der „550“-Serie und der zentrale intelligente Host der Navigator-Raumstation. zweitens, obwohl das interaktive Terminal von „MOSS“ bei normaler Temperatur und normalem Druck arbeiten kann, war während der Entwicklung von „MOSS“ immer ein riesiges Kühlgerät daran angeschlossen; Und schließlich wird laut der Selbstvorstellung von „MOSS“ im Film seine Rechenleistung anhand des neuen Indikators „Quantenvolumen“ gemessen. Und genau mit der Superrechenleistung von 8192 „Quantenvolumina“ kann es in kürzester Zeit die richtigsten Entscheidungen treffen und so die Mission der Fortführung der menschlichen Zivilisation sicher erfüllen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Da Science-Fiction-Filme auf Wissenschaft und Technologie der realen Welt basieren, können wir anhand des wichtigen Hinweises „8192 Quantenvolumina“ zunächst einige Hinweise zu „MOSS“ in der Entwicklung aktueller Quantencomputer finden, um den Traum vom Bau eines Quantencomputers Wirklichkeit werden zu lassen.

„Quantenvolumen“ – eine Kennzahl zur Bewertung der Gesamtleistung von Quantencomputern

Die Computergeräte, mit denen wir normalerweise in Kontakt kommen, sind allesamt klassische Computer. Sie verwenden binäre Operationen von 1 und 0, und diese grundlegende Recheneinheit, die nur den Zustand 1 oder 0 darstellen kann, wird als „Bit“ bezeichnet. Bei den Datenberechnungen von Quantencomputern kann die grundlegende Recheneinheit nicht nur den 1-Zustand oder den 0-Zustand darstellen, sondern auch wahrscheinlich gleichzeitig im 1-Zustand und im 0-Zustand existieren. Diese grundlegende Recheneinheit, die den verschränkten Zustand von 1 und 0 darstellen kann, wird als „Quantenbit“ bezeichnet.

Der grundlegendste Unterschied zwischen Quantencomputern und klassischen Computern besteht daher darin, dass Quantencomputer parallele Berechnungen durchführen können, indem sie sich auf die magische Kraft von „Quantenbits“ in einem verschränkten Zustand von 1 und 0 verlassen und dadurch eine exponentiell hohe Rechenleistung erzielen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Darüber hinaus haben Wissenschaftler nach und nach physikalische Träger entdeckt, die als „Quantenbits“ dienen können, darunter geladene Ionen, neutrale Atome, in der Natur natürlich vorkommende Lichtquanten sowie künstliche „supraleitende Quanten“ und Quantenpunkte, und daraus verschiedene Implementierungspläne für Quantencomputer entwickelt.

Allerdings haben unterschiedliche Implementierungsschemata ihre eigenen Vor- und Nachteile, sodass die Verwendung einheitlicher Standards zur Bewertung der Gesamtleistung verschiedener Quantencomputermodelle erforderlich ist. Dies ist genau wie im täglichen Leben: Wenn Sie die Gesamtleistung von Prozessoren verschiedener Elektronikhersteller vergleichen möchten, müssen Sie einen einheitlichen Standardbewertungsalgorithmus verwenden, um Benchmarktests durchzuführen. Dieser wissenschaftliche Indikator, der zur Bewertung der Gesamtrechenleistung verschiedener Quantencomputermodelle verwendet wird, wird als „Quantenvolumen“ (QV) bezeichnet.

Schematische Darstellung des von IBM entwickelten Quantencomputerchips

Bildquelle: IBM

Genauer gesagt handelt es sich beim „Quantenvolumen“ nicht um ein Volumenkonzept aus der geometrischen Mathematik, sondern um eine Reihe statistischer Tests, die mehrere Faktoren und komplexe Berechnungen beinhalten. Dabei gibt es drei Hauptkomponenten: die Anzahl der Quantenbits, die Gesamtfehlerrate der Berechnung und die Konnektivität der Quantenbits.

Im Idealfall kann ein Quantencomputer, der über N Quantenbits für paralleles Rechnen verfügt, theoretisch eine Rechenleistung von 2 hoch N erreichen. Ideale sind schön, aber die Realität ist kompliziert. In der Realität gibt es immer ein gewisses Maß an Umwelteinflüssen, sodass es bei den Berechnungen von Quantencomputern immer eine gewisse Gesamtfehlerrate geben wird. Um diesen Verlust auszugleichen, benötigen Quantencomputer bei tatsächlichen Berechnungen eine zusätzliche Anzahl von Quantenbits.

Darüber hinaus müssen bei einem Quantencomputer mit N Quantenbits zwei beliebige Quantenbits durch „Quantenverschränkung“ miteinander verbunden werden können, um eine parallele Berechnung von N Quantenbits zu ermöglichen. Aufgrund der architektonischen Designbeschränkungen verschiedener Quantencomputermodelle können Quantenbits in einigen Implementierungen jedoch nur mit ihren nächsten Nachbarquantenbits verbunden werden, was die Konnektivität der Quantenbits verringert und die ursprünglich ideale exponentielle Rechenleistung stark reduziert.

Die Architektur der von IBM entwickelten 20-Qubit- und 50-Qubit-Chips zeigt, dass jedes Quant nur mit benachbarten Quantenbits verbunden werden kann.

(Bildquelle: IBM)

Stellen Sie sich vor, es gäbe drei verschiedene Arten von Quantencomputern:

1) Ein Quantencomputer vom Typ „Quan“ verfügt über 12 Qubits, aber jedes Qubit weist eine bestimmte Betriebsfehlerrate auf und jedes Qubit kann nur mit seinem nächsten Nachbarn verbunden werden.

2) Quantencomputer vom Typ B haben 8 perfekte Qubits, und jedes Qubit kann nur mit seinen nächsten Nachbarn verbunden werden;

3) Obwohl der Quantencomputer vom Typ C nur über 5 perfekte Quantenbits verfügt, können die einzelnen Quantenbits beliebig miteinander verbunden werden.

Auf diese Weise können wir die Anzahl der Quantenbits, die Gesamtfehlerrate der Berechnungen und die Konnektivität der Quantenbits umfassend berücksichtigen und den Gesamtindikator „Quantenvolumen“ verwenden, um die Gesamtleistung der drei verschiedenen Modelle von Quantencomputern, ABC, zu bewerten.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Das „Quantenvolumen“ weiterentwickeln und kontinuierlich aktualisieren

Seit das Konzept des „Quantenvolumens“ im Jahr 2017 erstmals vorgeschlagen wurde, entwickeln sich Quantencomputer mit einer Geschwindigkeit weiter, bei der sich ihr „Quantenvolumen“ jedes Jahr mindestens verdoppelt. Dies ähnelt dem Mooreschen Gesetz, das die kontinuierliche Iteration klassischer Computer beschreibt und besagt, dass sich die Rechenleistung klassischer Computer etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Bereits 2017 hatte das Forschungsteam mit 5 Quantenbits ein Quantenvolumen von 4 (QV4) erreicht; 2018 und 2019 erhöhte das Forschungsteam diese Zahl unter Verwendung von 20 Quantenbits weiter auf 8 Quantenvolumina (QV8) bzw. 16 Quantenvolumina (QV16). In den Folgejahren 2020 und 2021 wurde das Quantenvolumen weiter auf QV128 und QV2048 aktualisiert. Im Jahr 2022 stellte ein Quantencomputer, der auf einem experimentellen Ionenfallenschema basiert, mit seiner extrem niedrigen Rechenfehlerrate einen neuen Rekord von 8192 Quantenvolumina (QV8192) auf ...

Das Quantenvolumen wird im Jahr 2022 8192 erreichen

(Bildquelle: Quantumuum)

Daraus können wir ersehen, dass die Parametereinstellungen von „MOSS“ im Film höchstwahrscheinlich von den neuesten Quantencomputern in der Realität abgeleitet sind, die „8192 Quantenvolumina“ sich jedoch noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befinden und wahrscheinlich weit von der Superrechenleistung von „MOSS“ im Film entfernt sind. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Quantencomputer mit ihrer kontinuierlichen Weiterentwicklung in naher Zukunft ein Quantenvolumen von Millionen erreichen werden, sodass letztendlich ein universeller Quantencomputer möglich wird.

Der von IBM entwickelte Quantencomputer der nächsten Generation verfügt über einen internen Chip namens Osprey mit 433 Qubits.

(Bildquelle: IBM)

Wenn wir uns jetzt noch einmal „MOSS“ im Film ansehen, kommen wir nicht umhin, erneut zu fragen: Warum wurde bei der Entwicklung von „MOSS“ immer ein riesiges Kühlgerät angeschlossen? Nutzt der Ionenfallen-Quantencomputer, der den jüngsten Quantenvolumenrekord aufgestellt hat, in Wirklichkeit dieselbe technische Lösung wie „MOSS“? Da Quantencomputer leicht durch die äußere Umgebung gestört werden, warum kann das interaktive Terminal „MOSS“ bei normaler Temperatur und normalem Druck funktionieren? Wenn Sie die Antwort auf diese Frage wissen möchten, werden wir im nächsten Artikel weiterhin die realen Prototypen von „MOSS“ vorstellen – supraleitende Quantenbitlösung, Ionenfallen-Quantenbitlösung und optische Quantenbitlösung.