Computer laufen wild: Exponentialoperationen! Muss "Quantum" immer noch bitten, Maßnahmen zu ergreifen

Produziert von: Science Popularization China

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

Hersteller: China Science Expo

Wie im vorherigen Kapitel erwähnt, ist die Weiterentwicklung von „Supercomputern“ durch viele Probleme begrenzt. Wie können wir also die Rechenleistung von Computern weiter verbessern und gleichzeitig ihre Größe und ihren Stromverbrauch reduzieren?

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Wenn Computer auf „Quanten“ treffen

Wie das Sprichwort sagt: Im Zweifelsfall wende man sich der Quantenmechanik zu. Wenn Computer auf die Quantenmechanik treffen, kann dieser fantasievolle „Quantencomputer“ die Magie der Quantenmechanik nutzen, um komplexe Probleme zu bewältigen, die eine exponentielle Rechenleistung erfordern?

Wir wissen, dass klassische Computer für Berechnungen das Binärsystem verwenden und jede grundlegende Berechnungseinheit nur einen bestimmten Zustand von 0 oder 1 haben kann. Diese grundlegende Berechnungseinheit wird auch als „Bit“ bezeichnet. Dies bedeutet jedoch auch, dass die Anzahl der „Bits“ in einem klassischen Computer nur durch eine Erhöhung der Transistordichte auf dem Chip erhöht werden kann, wodurch die Datenrechenleistung linear verbessert wird. Wenn wir jedoch einen „Quantencomputer“ verwenden, kann dieses ärgerliche Problem leicht gelöst werden.

Die grundlegende Recheneinheit eines „Quantencomputers“ wird als „Quantenbit“ bezeichnet, das sich mit probabilistischer Genauigkeit gleichzeitig im Zustand 0 oder 1 befinden kann. Mit anderen Worten: Ein „Quantencomputer“ mit N „Quantenbits“ kann sich gleichzeitig in 2 hoch N möglichen Zuständen befinden, und 2 hoch N weist ein exponentielles Wachstum auf, wenn N zunimmt, und verfügt somit über eine exponentiell höhere Rechenleistung.

Stellen Sie sich vor, wir hätten ein so eigenartiges „Quantenbit“, dann könnte 1 „Quantenbit“ als 2 Recheneinheiten fungieren, 10 „Quantenbits“ als 1024 Recheneinheiten und 100 „Quantenbits“ könnten tatsächlich als etwa 1,27 hoch 30 Recheneinheiten fungieren … Auf diese Weise könnten wir mit einem „Quantencomputer“ mit sehr wenigen „Quantenbits“ die Magie von Rechenproblemen überwinden, die exponentielle Größenordnungen erfordern.

Schrödingers Katze – Spüren Sie den Charme der „Quantensuperposition“

Glücklicherweise verleiht uns die „Quantensuperposition“ in der Quantenmechanik diese magische Kraft. Wie der Name schon sagt, bedeutet „Quantensuperposition“, dass sich ein Quantensystem vor der Messung gleichzeitig in einer Überlagerung mehrerer Zustände befinden kann.

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Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Katze in einer von außen nicht einsehbaren Kiste eingesperrt ist und dass sich in der Kiste ein Schalter befindet, der die Freisetzung eines hochgiftigen Gases auslösen kann. Die Bedingung für die Auslösung des Schalters ist der Empfang eines Signals, das durch den Zerfall eines radioaktiven Isotops freigesetzt wird. In diesem Fall löst der Zerfall des radioaktiven Isotops den Giftschalter aus und tötet das Kätzchen. Wenn es jedoch nicht zerfällt, überlebt das Kätzchen.

Da der Zerfall radioaktiver Isotope jedoch probabilistisch ist (bei einer angenommenen Wahrscheinlichkeit von 50 %), bedeutet dies, dass das Leben oder der Tod des Kätzchens auch eine probabilistische Überlagerung ist, bevor die Kiste zur Beobachtung geöffnet wird. An diesem Punkt stellen wir fest, dass es keine deterministische Möglichkeit gibt, den Zustand des Kätzchens zu beschreiben, da das Auftreten der beiden Ereignisse „Das Kätzchen lebt“ und „Das Kätzchen ist tot“ davon abhängt, ob das radioaktive Isotop zerfällt. Das heißt, theoretisch besteht eine 50-prozentige Chance, dass das Kätzchen noch lebt, und eine 50-prozentige Chance, dass es tot ist. Daher befindet sich das Kätzchen in einem Überlagerungszustand von „das Kätzchen lebt“ und „das Kätzchen ist tot“, und die Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein beider Zustände beträgt 50 %. Dies ist das berühmte Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“.

Sobald die Schachtel geöffnet und beobachtet wird, wird der Zustand des Kätzchens natürlich eindeutig als „das Kätzchen lebt“ oder „das Kätzchen ist tot“ bestimmt, was bedeutet, dass dieser „Quantenüberlagerungszustand“ in der Quantenmechanik nach der Beobachtung sofort in einen bestimmten Zustand kollabiert.

Die grundlegende Recheneinheit eines Quantencomputers - Quantenbit

Bei klassischen Computern wird jedes „Bit“, das eine grundlegende Recheneinheit darstellt, durch einen einzelnen, auf dem Chip integrierten Transistorschalter implementiert. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, stellt er den Zustand 1 dar, und wenn er ausgeschaltet ist, stellt er den Zustand 0 dar. In ähnlicher Weise müssen auch „Quantencomputer“ einen geeigneten physischen Träger in Form von „Quantenbits“ finden, um die Magie der „Quantenüberlagerung“ in der realen Welt entfalten zu können. Der Unterschied besteht darin, dass dieser physikalische Träger während des Berechnungsprozesses die Überlagerung von Zustand 1 und Zustand 0 aufrechterhalten muss. Die Frage, wie man dieses magische „Quantenbit“ in der realen Welt findet, war schon immer das Ziel der Wissenschaftler.

Harte Arbeit zahlt sich aus und Wissenschaftler haben endlich einen physikalischen Träger in der Natur gefunden, der die Überlagerung der Zustände 1 und 0 gleichzeitig aufrechterhalten kann. Dieser physikalische Träger ist kein anderer als unser alter Freund, den wir seit der Mittelschule kennen – geladene Ionen.

Geladene Ionen haben zwei wichtige Eigenschaften. Der erste ist, dass sie eine elektrische Ladung tragen. Wir können eine beliebige Anzahl geladener Ionen durch die physikalischen Mittel „elektrisches Feld-magnetisches Feld“ einfangen. Der zweite Grund besteht darin, dass die Energie geladener Ionen gemäß der Theorie der Quantenmechanik diskret ist, d. h., die Energie innerhalb derselben geladenen Ionen hat ein sequentielles Niveau, genau wie die Umlaufbahn eines Planeten. Diese Methode zur Energiesortierung wird als Energieniveaustruktur bezeichnet.

Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass in dieser einzigartigen Struktur diskreter Energieniveaus zwei bestimmte Energieniveaus ausgewählt werden können, um ein „Quantenbit“ zu konstruieren. Dabei kann das Energieniveau mit der höheren Energie den Zustand 1 und das niedrigere Energieniveau den Zustand 0 darstellen. Auf diese Weise kann der probabilistische Übergang zwischen den beiden Energieniveaus den Überlagerungszustand von 1 und 0 darstellen. Diese Kodierung mithilfe geladener Ionen wird in der Natur als „Qubit“ bezeichnet, und diese Art der Durchführung von Quantencomputern wird als „Ionenfalle“ bezeichnet.

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie haben die Menschen auch begonnen, künstliche physikalische Systeme zum Kodieren von „Quantenbits“ zu verwenden. Die Studie ergab, dass die im Photolithographieverfahren hergestellte elektronische Schaltung, wenn sie auf etwa 0,015 K abgekühlt wird, diskrete Energieniveaus aufweisen kann, die denen geladener Ionen ähneln. Dieses künstliche physikalische Zwei-Niveau-System wird auch als „supraleitendes Quantenbit“ bezeichnet. Der Vorteil dieses „supraleitenden Quantenbits“ besteht darin, dass es mit moderner integrierter Schaltkreistechnologie kompatibel ist und daher in der Industrie große Aufmerksamkeit erregt hat.

Allerdings ist auch eine Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen von weniger als 0,015 K erforderlich – etwas höher als der absolute Nullpunkt und kälter als der Weltraum, weshalb ein Super-„Kühlschrank“ erforderlich ist, um eine Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen zu schaffen. Darüber hinaus ist es unmöglich, dass jedes künstliche „supraleitende Quantenbit“ völlig identisch ist, was höhere Anforderungen an die Präzision der Kalibrierung und die Genauigkeit der Steuerung stellt.

Darüber hinaus wurden auch physikalische Systeme wie neutrale Atome, Lichtquanten, Quantenpunkte und phantasievollere topologische Quanten zur Verwendung als „Quantenbits“ vorgeschlagen. Derzeit gelten „Ionenfallen“ und „supraleitende Quantenbits“ unter Wissenschaftlern noch immer als aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung von Quantencomputern.

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Aus Theorie wird Realität – der Quantencomputer ist geboren!

Wissenschaftler schätzen, dass Quantencomputer bei N ≥ 50 über eine Rechenleistung von bis zu 2 hoch 50 verfügen werden, was die Grenzen aller klassischen Computer überschreiten wird. Das heißt, dass Quantencomputer bei der Lösung bestimmter spezifischer Computerprobleme eine „Quantenüberlegenheit“ oder „Quantenhegemonie“ gegenüber klassischen Computern aufweisen werden.

Im Jahr 2019 kam plötzlich ein Prozessor mit 53 Quantenbits auf den Markt, der auf der Lösung „supraleitendes Quantencomputing“ basiert. Für die Ausführung einer Stichprobenaufgabe für eine bestimmte Zufallszahl waren nur etwa 200 Sekunden erforderlich, während dieses Rechenproblem selbst mit dem damals leistungsstärksten Supercomputer etwa 10.000 Jahre dauern würde. Diese exponentielle Steigerung der Rechenleistung führt nicht nur zu einer Steigerung der Rechengeschwindigkeit, sondern hat auch revolutionäre Auswirkungen auf viele traditionelle Branchen.

So gilt etwa der in der modernen Finanzbranche weit verbreitete Public-Private-Key-Verschlüsselungsalgorithmus (RSA) als absolut sicher, da selbst der leistungsstärkste Supercomputer etwa 80 Jahre brauchen würde, um das Passwort zu knacken, während ein Quantencomputer mit seiner exponentiellen Rechenleistung in nur etwa 8 Stunden einen Brute-Force-Angriff durchführen kann. Dies bedeutet, dass moderne Verschlüsselungssysteme, die auf traditioneller Kryptografie basieren, einem enormen Einfluss durch Quantencomputer ausgesetzt sein werden.

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Quantensimulation: Maßgeschneidert für spezifische Probleme

Es ist anzumerken, dass „Quantencomputer“ nur für bestimmte Quantenalgorithmen effiziente Rechenkapazitäten aufweisen und klassische Computer bei der Bewältigung alltäglicher Büroaufgaben nicht ersetzen können. Darüber hinaus ist die Quantenüberlagerung des „Quantenbits“ selbst äußerst anfällig für externe Störungen und Verluste, und es ist noch ein langer Weg, bis ein Quantencomputer erreicht werden kann, der letztendlich eine groß angelegte Fehlertoleranz erreichen kann.

Bis zur endgültigen Realisierung eines universellen „Quantencomputers“ können wir jedoch noch Spezialmaschinen zur Lösung spezifischer Rechenprobleme konstruieren. In diesem Stadium bezeichnen wir diese Art von Quantencomputer für spezielle Zwecke im Allgemeinen als „Quantensimulator“ oder einfach „Quantensimulation“.

Spezialisierte Maschinen, die spezifische Berechnungen durchführen können, sind nicht mehr weit entfernt. Ein interessantes Beispiel sind die großen Windkanäle, die im Flugzeugbau verwendet werden. Am Beispiel der aerodynamischen Formoptimierung im Flugzeugbau erfordert die Computersimulation im klassischen Sinne die Diskretisierung des Flugzeugs und des umgebenden Luftstroms in Gitter, die Berechnung der Kraftanalyse und des Bewegungszustands jedes Gitters und schließlich die Integration aller Berechnungsgitter, um die gesamten aerodynamischen Daten des Flugzeugs zu erhalten.

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Um eine ausreichend kleine Gittergenauigkeit zu erreichen, ist für die Durchführung kurzfristiger Datenoperationen oft die Rechenleistung eines „Supercomputers“ erforderlich, während darüber hinausgehende unendliche diskrete Gitteranalysen unmöglich sind. Um dieses Berechnungsproblem zu lösen, werden im Allgemeinen Windkanalsimulationsexperimente mithilfe eines verkleinerten Modells des Flugzeugs direkt in einem großen Windkanal durchgeführt, um die Zuverlässigkeit der aerodynamischen Form des Flugzeugs intuitiv zu überprüfen.

Tatsächlich ist der große Windkanal selbst ein Computer. Solange wir verschiedene aerodynamische Parameter eingeben, können wir intuitiv den simulierten Kraft- und Bewegungszustand des Flugzeugs erhalten. Dieser „Windkanalcomputer“ ist zwar nicht der Computer, den wir uns vorstellen, aber seine Leistung übertrifft bei bestimmten algorithmischen Aufgaben im Flugzeugbau die Fähigkeiten klassischer Computer bei Weitem.

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Diese wunderbare Idee hat Wissenschaftler auch dazu veranlasst, einige äußerst komplexe Computerprobleme neu zu untersuchen, wie etwa die molekulardynamische Simulation von Arzneimittelreaktionsprozessen, die relativistische Simulation von Kollisionen Schwarzer Löcher und Probleme der Elektronenflucht bei Kernfusionsprozessen.

Tatsächlich schlug der Physiker Richard Feynman bereits 1982 vor: „Die in der Quantenmechanik erforderlichen Rechenressourcen steigen exponentiell mit der Zunahme der Teilchenzahl, und der beste Weg besteht darin, ein anderes, besser kontrollierbares Quantensystem zu verwenden, um das ursprüngliche komplexe Quantensystem zu simulieren.“

Einfach ausgedrückt: Für einige Rechenprobleme, die exponentielle Rechenanforderungen erfordern, sollten wir zur Lösung nicht mehr die klassische Berechnungsmethode mit 0 und 1 verwenden. Stattdessen sollten wir ein anderes einfaches und kontrollierbares physikalisches System finden, um eine gleichwertige Simulation des ursprünglich komplexen Problems durchzuführen und so die enorme Verschwendung von Rechenressourcen zu vermeiden. Dies ist der grundlegende Ausgangspunkt der „Quantensimulation“.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

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Daher kann man auch sagen, dass ein „Quantencomputer“ auch ein verallgemeinertes Quantensimulationssystem ist, aber ein „Quantencomputer“ nutzt die parallelen Recheneigenschaften des Quantenüberlagerungszustands und erreicht durch „Quantenbits“ und eine Reihe von Quantenlogikgatteroperationen exponentielle Datenrechenfähigkeiten. Zu einem Quantensimulationssystem im engeren Sinne zählt der „Quantensimulator“. Es kann ein bestimmtes komplexes Quantensystem auf einfache und kontrollierbare Weise simulieren, indem es ein physikalisches Modell konstruiert, das dem Zielsystem entspricht.

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Daher lässt sich der Schluss ziehen, dass „Supercomputer“ die Ressourcenoptimierung und Integration klassischer Computer darstellen, „Quantencomputer“ eine neue Rechenmethode der Quantenmechanik nutzen und ein Allzweck-Rechengerät der Zukunft sind, und „Quantensimulationen“ ebenfalls eine neue Rechenmethode der Quantenmechanik nutzen, aber ein Spezial-Rechengerät sind, das zum jetzigen Zeitpunkt spezifische Probleme simulieren kann.

Das Aufkommen der beiden letztgenannten Technologien verdeutlicht jedoch eine spannende Tatsache: Das Quantenzeitalter naht leise und wird die zukünftige Produktion und den Lebensstil der Menschen in beispielloser Weise grundlegend verändern. Dieser Wandel ist unvorstellbar. Auch als die Menschen im 19. Jahrhundert mechanische Rechenmaschinen wie den Abakus benutzten, konnten sie sich nicht vorstellen, dass die in elektronischen Computern enthaltene Rechenleistung die Art und Weise des Informationsaustauschs völlig auf den Kopf stellen würde.

Stellen wir uns die Zukunft vor. Welche weltbewegenden Veränderungen wird unsere Welt durch die enorme exponentielle Rechenleistung von Quantencomputern erfahren?

Herausgeber: Sun Chenyu