Warum brauchen wir Quantencomputing?

Anmerkung des Autors

Auf Wunsch eines Freundes sollte ich ein populärwissenschaftliches Video zum Thema Quantencomputing schreiben, habe dabei aber versehentlich zu viel geschrieben. Ich denke, es könnte für die Öffentlichkeit hilfreich sein, daher veröffentliche ich das vollständige Manuskript schamlos hier. Tatsächlich gibt es eine ganze Reihe populärwissenschaftlicher Artikel zum Thema Quantencomputing, und ich habe bereits früher darüber geschrieben, aber die Perspektive dieses Artikels ist etwas anders: Warum brauchen wir Quantencomputing? Warum hat es erst in den letzten Jahren so viel Aufmerksamkeit erregt? Wenn diese Fragen beantwortet werden können, werden manche vielleicht erleichtert sein: Quantencomputing ist keine Fantasie der Wissenschaftler, sondern ein Produkt der Zeit. So wie die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie die glorreichen Spuren der Menschheit im 20. Jahrhundert sind, könnte auch das Quantencomputing zu einer weiteren bleibenden Spur der Menschheit im 21. Jahrhundert werden.

Geschrieben von | Wuxie

Produziert von: Science Popularization China-Starry Sky Project

Wir leben im Computerzeitalter

Der Durst der Menschheit nach Rechenleistung ist unersättlich. Seit es Schnüre zu knüpfen gab, ist die Verbesserung der Rechenleistung eng mit dem Fortschritt der Zivilisation verknüpft und wurde im antiken Griechenland von der pythagoräischen Schule sogar als Wahrheit angesehen. Heute sind wir so an die Vorteile der Computertechnik gewöhnt, dass die meisten von uns ihre Großartigkeit ignorieren. Wenn wir über den Bildschirm wischen, ein Schlüsselwort eingeben und die Suchmaschine die gewünschten Ergebnisse anzeigt, können diese Vorgänge in wenigen Sekunden abgeschlossen werden. Wie viele Menschen wissen, wie viel „Kalkulation“ dahinter steckt? Während wir beim Anschauen kurzer Videos vergnügt das Wasser im Mund zusammenlaufen lassen, wissen viele von uns, dass die Maschine verzweifelt berechnet, welches Video sie Ihnen als Nächstes zuspielen soll? In diesem kritischen Moment der Epidemie arbeitet jeder von uns beim Scannen von Codes und Überprüfen des Nukleinsäurespiegels mit, aber wie viele Menschen können die großen Errungenschaften der „Computertechnik“ im Kampf gegen die Epidemie erkennen? Heute hat unsere Rechenleistung ihren Höhepunkt erreicht. Maschinen haben die letzte intellektuelle Bastion erobert, auf die die Menschheit stolz ist: Go. Als nächstes werden Maschinen versuchen, das autonome Fahren und das Metaversum zu erobern. Man kann sagen, dass wir im Computerzeitalter leben.

Aufzeichnungen geknoteter Schnüre der Inka-Zivilisation: Khipu

Die heutige Superrechenleistung ist auf eine nichtlineare Komponente namens „Transistor“ zurückzuführen, die aus dem gewöhnlichsten Material der Natur besteht – Silizium –, in der jedoch die fortschrittlichste menschliche Weisheit enthalten ist. Es ist überall um uns herum, aber es entsteht in der saubersten, staubfreien Fabrik. Es verändert unser Leben so schnell, aber jetzt sind wir Chinesen auf die Gnade anderer angewiesen. Das ist der Chip.

In Silizium-Halbleiterchips der Spitzenklasse führen zig Milliarden Transistoren Operationen nach einer binären Logik aus, die als Boolesche Algebra bekannt ist. Diese Logik ist nicht effizient, aber sehr flexibel und universell. Nach mehr als 50 Jahren exponentiellen Wachstums im Rahmen des Mooreschen Gesetzes hat es alle Gegner vernichtet und ist fast zum einzigen Computerwerkzeug geworden.

Das Mooresche Gesetz wird seit mehr als 50 Jahren vorgeschlagen und ist noch heute gültig. Auch die entsprechende Rechenleistung ist exponentiell gewachsen. Da die Größe von Transistoren immer kleiner wird und sich dem Nanometerbereich nähert, ist es eigentlich ein Klischee, dass Moores Gesetz früher oder später sein Ende finden wird. Was ich sagen möchte, ist, dass im heutigen Internetzeitalter, selbst wenn das Mooresche Gesetz noch lange seine Gültigkeit behält, die Entwicklung der Rechenleistung tatsächlich weit hinter der Geschwindigkeit der Datenausbreitung im Internet zurückbleibt. Die Menge an Informationen, die wir mithilfe von Computern aus dem Internet extrahieren können, ist im Vergleich zu der Menge an Informationen, die das Internet tatsächlich enthält, erbärmlich. Wenn wir uns Daten als Mine und Rechenleistung als Mining-Maschinen vorstellen, werden die Mining-Maschinen vor der Mine immer kleiner. In dieser Situation ist der Bedarf der Menschheit nach neuer Rechenleistung, die über das aktuelle Paradigma hinausgeht, unübersehbar. Vor diesem Hintergrund ist es verständlich, warum Unternehmen wie Google sich so sehr für das Quantencomputing interessieren, dass sie bereit sind, sich selbst zu engagieren. Weil ihm die Mine gehört. Stellen Sie sich vor, Sie sitzen ohne Werkzeug auf einer Goldmine und müssen mit Ihren Händen graben!

Fünfzig Jahre Mooresches Gesetz

Quantencomputing wird Realität

Nachdem so viel gesagt wurde, kam das Thema schließlich auf Quantencomputing. Viele Menschen neigen dazu, Quanten mit mysteriösen Phänomenen zu assoziieren, etwa damit, dass sie sowohl eine Welle als auch ein Teilchen sind oder mit Teleportation. Tatsächlich ist dies nicht notwendig. Wenn ich mit Leuten über Quanten spreche, habe ich am meisten Angst, in Diskussionen über Nihilismus, Erkenntnistheorie usw. hineingezogen zu werden, weil ich eigentlich ein Experimentalphysiker und kein Philosoph bin. Ich betrachte Quanten gerne aus einer pragmatischen Perspektive: Sie beschreibt das zugrunde liegende Verhalten der Materie genau; es ist auch heute noch sehr genau. Nun, schauen wir mal, welche außergewöhnlichen Dinge wir mit den Regeln der Quantenphysik erreichen können. Die Nutzung von Quantendaten für Computer ist zweifellos eine der kühnsten Ideen des letzten Jahrhunderts, denn damals war die Fähigkeit zur Kontrolle der Quantenwelt noch ganz anders als heute. So sehr, dass die ersten wichtigen Quantenalgorithmen, darunter Shors Algorithmus und Grovers Algorithmus, tatsächlich von Mathematikern entwickelt wurden. Sie betrachteten dies als mathematisches Spielzeug und dachten nie daran, es in die Tat umzusetzen.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts ist die Situation völlig anders. Der Nobelpreis für Physik 2012 wurde Serge Haroche und David J. Wineland für „bahnbrechende experimentelle Fortschritte bei der Messung und Manipulation unabhängiger Quantensysteme“ verliehen. Sie fingen zum ersten Mal Atome ein und nutzten die Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen, um den atomaren Quantenzustand zu manipulieren und zu messen – dies war tatsächlich der Beginn des Quantencomputings mit Ionenfallen. Diese Arbeit öffnet die Tür zur Manipulation und zum Lesen von Quantenzuständen und weckt auch Hoffnung auf die physikalische Realisierung des Quantencomputings. Von nun an befinden sich Quantenbits, Quantengatter und Quantencomputer nicht mehr nur im mathematischen und theoretischen Stadium.

Nobelpreisträger für Physik 2012

Um die Jahrhundertwende kam es zu einem weiteren sehr wichtigen Durchbruch. Die Forschungsgruppe von Cai Zhaoshen am RIKEN-Institut für physikalische und chemische Forschung in Japan entdeckte erstmals das Phänomen der Quantenoszillation auf einer supraleitenden „Insel“. Der größte Unterschied zur Arbeit von Haroche und Wineland besteht darin, dass es sich bei dem Quantensystem zu diesem Zeitpunkt um ein „makroskopisches Quantensystem“ handelt – Elektronen auf makroskopischer Ebene sind am gesamten Quantenprozess beteiligt. Diese „supraleitende Cooper-Paar-Box“ ist der Vorgänger des supraleitenden Quantencomputings, einem der derzeit beliebtesten Kandidaten für das Quantencomputing. Makroskopische Quantensysteme lassen sich leicht manipulieren und auslesen und ihr Herstellungsprozess ist weitgehend mit Halbleiterchips kompatibel. Dies hat dazu geführt, dass das System im nächsten Jahrzehnt eine außergewöhnliche Vitalität erlangte. (Weitere Informationen zu supraleitenden Quantenbits finden Sie unter „Wenn Quantencomputing auf Supraleitung trifft: Eine schöne Begegnung“)

Makroskopische Quantenbits: Cooper-Paar-Box | Quelle: Nakamura, Y., Pashkin, YA & Tsai, JS Kohärente Kontrolle makroskopischer Quantenzustände in einer Einzel-Cooper-Paar-Box. Nature 398, 786–788 (1999).

Frühe supraleitende Qubits, darunter die oben erwähnte „Cooper-Paar-Box“ sowie Fluss-Qubits und Phasen-Qubits, lösten viele technische Probleme im Zusammenhang mit Manipulation, Kopplung und Lesen, waren jedoch durch einen wichtigen Indikator problematisch: die Dekohärenzzeit (Quanten-„Lebensdauer“). Die Dekohärenzzeit bezeichnet den charakteristischen Zeitpunkt, zu dem die Quanteneigenschaften eines Systems verschwinden und es dazu neigt, sich in ein klassisches System zu verwandeln. Wir wissen, dass kein System vollständig isoliert werden kann, da das System sonst gleichbedeutend mit Nichtexistenz ist. Als Quantenbit, das zur „Berechnung“ fähig ist, ist es noch unwahrscheinlicher, dass es isoliert werden kann. Es muss mit der Außenwelt interagieren, denn wie könnten wir es sonst kontrollieren und messen? Und jede Interaktion führt unweigerlich zum Verlust von Quanteninformationen. Teilchen in der Natur, wie etwa Atome, können eine sehr lange Lebensdauer haben und sie interagieren nur sehr schwach mit Photonen, was zu einem zweischneidigen Schwert wird: Weil die Interaktion schwach ist, ist die Quantennatur sehr stark; Gleichzeitig ist es für uns gerade aufgrund der Schwäche dieser Wechselwirkung schwierig, sie zu manipulieren und zu messen. Dies erklärt teilweise, warum die Arbeit von Haroche und Wineland mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde – sie ist in der Tat sehr schwierig.

Bei supraleitenden Quantenbits ist die Situation genau umgekehrt. Die Hyperfeinenergieniveaus, aus denen die Quantenbits bestehen, werden durch das kollektive Verhalten einer makroskopischen Anzahl von Cooper-Paaren verursacht. Sie befinden sich in einem eher makroskopischen Festkörpersystem, in dem die Umgebung viel schlechter ist als in einem einzelnen Atom. Quantenbits werden von Photonen aus unbekannten Quellen, Restelektronen sowie Ladungs- und Magnetfeldänderungen beeinflusst, die durch Störungen externer elektromagnetischer Felder verursacht werden. Da es sich zudem um einen makroskopischen Freiheitsgrad handelt, ist auch die Kopplungsstärke mit diesen externen Freiheitsgraden sehr stark, was dazu führt, dass die Informationen des Quantenbits in sehr kurzer Zeit verloren gehen. Aber gerade deshalb können wir sie durch die Steuerung elektromagnetischer Felder in sehr kurzer Zeit manipulieren und lesen, so schnell, dass wir nicht einmal „zieh, zieh, zieh die Karotten …“ sagen können. (Siehe „Die Lebensdauer supraleitender Quantenbits übersteigt 500 Mikrosekunden – in der menschlichen Welt ist das nur ein Augenblick, aber von außerordentlicher Bedeutung“)

Das Problem der Dekohärenzzeit erlebte 2007 einen Wendepunkt. Damals hatten Wissenschaftler auf diesem Gebiet bereits die Wirkung einer Erhöhung der Kapazität auf die Unterdrückung von Ladungsrauschen bemerkt. Koch und andere von der Yale University und You Jianqiang aus meinem Land untersuchten fast gleichzeitig systematisch die Auswirkungen einer Erhöhung der Bypass-Kapazität auf die Verbesserung der Dekohärenzzeit in Cooper-Paar-Boxen bzw. Flux-Qubit-Systemen. Ersteres ist das derzeit beliebte Transmon-Qubit. Von da an erreichte die Dekohärenzzeit supraleitender Quantenbits schnell die Größenordnung von 10 bis 100 Mikrosekunden, was im Vergleich zur Manipulationszeit von 10 Nanosekunden eine sehr lange Zeit ist. Kurz darauf schlug die Martinis-Gruppe an der University of California in Santa Barbara rasch ein skalierbares Schema und eine Systemelektroniklösung auf Basis von Transmon-Quantenbits vor und legte damit den Grundstein für die Entwicklung supraleitender Quantencomputer. Der Rest der Geschichte ist, dass sich diese Gruppe Google anschloss und den „Sycamore“-Chip für Google baute, womit sie den sensationellen Meilenstein der Quantenüberlegenheit schuf. Diese Geschichte kann in einer separaten Ausgabe veröffentlicht werden, daher werde ich sie vorerst beiseite lassen. (Siehe „IBM widerlegt Google, Quantenüberlegenheit vs. Quantenvorteil, wie weit sind wir vom Quantencomputing entfernt?“ und „Googles Kernfigur der „Quantenüberlegenheit“: Warum ich bei Google gekündigt habe?“)

Googles Sycamore-Chip (Quelle: wikipedia.org)

Kurz gesagt: Quantencomputing hat sich heute allmählich von einem Spielzeug der Mathematiker und einer Vorstellung theoretischer Physiker in die Realität verwandelt. Dahinter steckt der Einsatz einer großen Zahl von Experimentalphysikern und Ingenieuren, der für Außenstehende schwer nachvollziehbar ist. Auf jeden Fall sind wir mit diesen Experimenten, technologischen Fortschritten und der Akkumulation dazu befähigt, über die Zukunft des Quantencomputings zu sprechen und können voller Zuversicht damit prahlen, wie das Quantencomputing das traditionelle Computing in den Schatten stellen wird. Als nächstes fangen Sie an zu blasen!

Die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings

Der Begriff Bit stammt aus Shannons Informationstheorie. Einige Informationen deuten darauf hin, dass dieses Konzept bereits früher (in den 1940er Jahren) von Mathematikern entwickelt wurde. Es wird verwendet, um die kleinste Informationseinheit in der binären algebraischen Logik darzustellen. In herkömmlichen Computern werden Informationen in Bits kodiert, verarbeitet, übertragen und abgerufen. In der Quantenwelt wird die kleinste Informationseinheit zum Quantenbit, das auch die Einheit der Informationskodierung, -verarbeitung, -übertragung und -erfassung ist, jetzt jedoch im Quantenfeld ausgeführt wird. Logisch gesehen handelt es sich um ein Zwei-Staaten-System, das kohärent überlagert werden kann; physikalisch handelt es sich um ein unterscheidbares (quasi) Zwei-Ebenen-System. Mehrere Quantenbits können zusammen ein zusammengesetztes System bilden. Wenn sie sich verwickeln können, ist dies der Moment, Zeuge eines Wunders zu werden.

Claude Shannon, Begründer der Informationstheorie | Quelle: Internet

Verschränkung ist einzigartig in der Quantenwelt. Dahinter verbirgt sich eine sehr tiefgreifende Physik, die bis heute nicht vollständig verstanden werden kann, deren Existenz wir jedoch durch zahlreiche Experimente bestätigt haben. Nehmen wir als Beispiel ein zusammengesetztes System, das aus zwei Quantenbits besteht: Dieses System kann sich in einem bestimmten Quantenzustand befinden. Wenn wir sie derzeit als Ganzes betrachten, ist das System ein Quantensystem, aber wenn wir nur ein bestimmtes Quantenbit betrachten, ist das System kein Quantensystem mehr. Mit anderen Worten: Ein komplexes System kann nur als Ganzes betrachtet werden, aus seinen Subsystemen lassen sich keine Informationen gewinnen. Mathematisch gesehen eröffnet das verschränkte System einen größeren direkten Produktraum, und die Dimension dieses direkten Produktraums wächst exponentiell mit der Anzahl der Bits. Hier sind einige erschreckende Zahlen: Wenn N=50 ist, entspricht die Dimension dieses Raums ungefähr der Anzahl der Berechnungen pro Sekunde der modernsten Supercomputer von heute; Wenn N = 300 ist, übersteigt die Dimension die Gesamtzahl der Atome im gesamten bekannten Universum (in einem Glas Wasser befinden sich etwa 1023 Atome).

Die durch die Verschränkung hervorgerufene, erschreckende Dimensionserweiterung bietet einen riesigen Kodierungsraum für Rechenprobleme und ermöglicht es, für bestimmte Probleme effizientere Lösungen in höheren Dimensionen zu finden. Nach mehr als hundert Jahren der Entwicklung sind herkömmliche Computer und Theorien in der Lage, viele Probleme effizient zu lösen. Es gibt jedoch noch immer viele Probleme, die nicht gelöst werden können, wie etwa Wettervorhersagen, Aktienkurse, Krebsmedikamente ... Wenn diese Probleme genau berechnet werden könnten, würde unsere Welt äußerst schön oder vielleicht äußerst langweilig werden. Beispielsweise können wir genau berechnen, mit welchem ​​Ergebnis die chinesische Fußballnationalmannschaft das nächste Spiel verlieren wird. Leider kann auch das Quantencomputing diese Probleme nicht lösen. Warum machen wir uns dann so viel Mühe? ! Keine Sorge, wir haben festgestellt, dass bestimmte Probleme im Rahmen des Quantencomputings mit erstaunlicher Effizienz gelöst werden können und dass diese Probleme auch sehr bedeutsam sind.

Einer davon ist der berühmte Shor-Algorithmus. Wie können wir heute beim Surfen im Internet und beim Eingeben unseres Benutzernamens und Passworts sicherstellen, dass andere uns nicht ausspähen? Wie können wir verhindern, dass andere unsere Bankkartenpasswörter stehlen? Manche Leute sagen: Vertuschen Sie es. Tatsächlich sind diese Informationen im Internet ohne den Schutz von Verschlüsselungssystemen nahezu transparent. Eine weitere Eigenschaft des Internets besteht darin, dass Informationen augenblicklich in jeden Winkel der Erde übertragen werden können: Die Person, die einen Blick auf Ihr Passwort wirft, könnte gerade auf Mauritius sitzen und Kokoswasser trinken. Die herkömmliche Punkt-zu-Punkt-Verschlüsselung ist für das Internet nicht geeignet. Bei einer steigenden Anzahl von Knoten wäre das bloße Speichern von Passwörtern eine Katastrophe. Ein asymmetrisches Verschlüsselungssystem – die RSA-Kryptografie – löst dieses Problem effektiv. Die sogenannte Asymmetrischkeit bedeutet, dass für die Ver- und Entschlüsselung unterschiedliche Schlüssel verwendet werden: Für die Entschlüsselung wird ein privater Schlüssel verwendet; Zur Verschlüsselung wird ein öffentlicher Schlüssel verwendet. Der öffentliche Schlüssel ist öffentlich und kann von jedem abgerufen werden. Wenn Li Si unbeschreibliche Daten an Zhang San senden möchte, muss er sie mit dem von Zhang San veröffentlichten öffentlichen Schlüssel verschlüsseln. Nachdem Zhang San es erhalten hat, kann er es mit dem privaten Schlüssel öffnen und genießen. Wenn es derzeit jemanden gibt, der heimlich diese Informationen begehrt, tut es mir leid, denn obwohl er den öffentlichen Schlüssel hat, kann er sie ohne den privaten Schlüssel nicht öffnen. Da jeder, der mit Zhang San kommunizieren möchte, einen öffentlichen Schlüssel teilen kann, spart dieses Verschlüsselungssystem die erforderlichen Schlüsselressourcen erheblich.

Dieses Verschlüsselungssystem sichert das Internet seit vielen Jahren mit sehr wenigen Fehlern. Sein Verschlüsselungsprinzip basiert auf einer mathematischen Entdeckung: dem Prinzip der Unteilbarkeit großer Zahlen. Wenn zwei bekannte große Primzahlen miteinander multipliziert werden und man eine größere Zahl erhält, kann ein aufmerksamer Mittelschüler das Ergebnis berechnen. Andererseits nenne ich Ihnen das Ergebnis der Multiplikation und frage Sie, welche zwei Primzahlen miteinander multipliziert werden müssen, um es zu erhalten? Selbst Spitzenmathematiker wären sprachlos. Die beeindruckendste Leistung der Menschheit ist das Knacken von RSA-768, siehe:

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Derzeit werden üblicherweise RSA-1024 und RSA-2048 verwendet. Die Zahl dahinter ist ein Exponent. Da die Schwierigkeit, dieses Problem zu lösen, exponentiell mit der Größe des Problems zunimmt, können moderne Computer nur zu ihm aufschauen und hinken weit hinterher.

Dank der exponentiellen Beschleunigung der Quanten-Fourier-Transformation kann Shors Algorithmus das obige Problem mit quasi-polynomischer Schwierigkeit lösen und so die ursprünglich Millionen von Jahren dauernde Knackzeit auf Sekunden reduzieren – ein Angriff zur Dimensionsreduzierung. Shors Algorithmus ist erschreckend leistungsfähig, doch im 20. Jahrhundert wäre das kein Problem gewesen: Die Implementierung des Shors Algorithmus war mit der damaligen Technologie schwieriger als eine Landung auf dem Mars.

Die Situation ist jetzt anders, wie ich bereits zuvor erklärt habe. Jeder hat Angst, denn eines der größten Probleme in der Passwortwelt besteht darin, dass man nie sicher ist, ob das Passwort geknackt wurde. Darüber hinaus können Passwörter gespeichert werden, die jetzt nicht mehr geknackt werden können. Selbst wenn sie zwanzig Jahre später noch brechen, ist der Schaden noch immer groß. Daher zwang das Aufkommen des Shors-Algorithmus und insbesondere die Möglichkeit seiner technischen Umsetzung die Menschen dazu, aktiv nach neuen Formen der Verschlüsselung zu suchen. China neigt zur Quantenkommunikation und ist in dieser Hinsicht weltweit führend, während die Amerikaner in der Quantenkryptographie hinterherhinken und die Europäer nicht aufgeben wollen... Kurz gesagt, dies ist ein Problem, das dringend gelöst werden muss. Wenn es einer Partei gelingt, dieses System zuerst zu knacken, werden die internationalen Kontrollmechanismen augenblicklich zerstört, mit verheerenden Folgen.

Ein weiterer nützlicher Quantenalgorithmus ist der Grover-Algorithmus: Er sucht in einem unstrukturierten Array nach einem Ziel und ist dabei Quadratwurzel-N-mal schneller als der klassische Algorithmus, wobei N die Länge des Arrays ist. Diese Beschleunigungsfähigkeit ist nichts im Vergleich zu Shors Algorithmus, aber vielleicht ist dieser Algorithmus nützlicher, da Suchprobleme die Grundlage für die Lösung vieler Probleme und ein wichtiges Mittel zum Mining von Informationen sind. Wenn N sehr groß ist, sind die Vorteile dieses Algorithmus sehr bedeutend. Entspricht die enorme Datenmenge, die heutzutage jeden Moment im Internet generiert wird, nicht der Situation, dass N sehr groß ist?

Ein langer Weg liegt vor uns

Nach all dem Prahlen müssen wir uns der Realität stellen: Die beiden oben genannten Algorithmen sowie ihre abgeleiteten Algorithmen stellen extrem hohe Anforderungen an die Manipulations- und Lesefehlerraten und erfordern nahezu, dass Quantenbits perfekt und fehlerfrei sind. Das Problem besteht darin, dass jedes physikalische System fehleranfällig ist und jeder praktische Vorgang eine gewisse Präzision aufweist. Wir können eine Fehlerkorrektur erreichen, indem wir ein gewisses Maß an Redundanz schaffen, was auch in der frühen Forschung zu herkömmlichen Computern ein wichtiges Thema ist. Interessanterweise ist die Wahrscheinlichkeit von Bitfehlern in heutigen Halbleiterchips so gering, dass eine Fehlerkorrektur völlig unnötig wird. Gerade als dieses Erbe der Fehlerkorrekturtheorie verloren zu gehen drohte, trat das Quantencomputing seine Nachfolge an.

Die Quantenfehlerkorrektur stellt eine große Herausforderung bei der Realisierung von Quantencomputern dar und ist kurzfristig schwer zu erreichen, selbst wenn wir eine Technologie zur Korrektur topologischer Codefehler wie die Oberflächencodierung finden, die den Fehlerkorrekturbedarf auf ein für die aktuelle Technologie akzeptables Niveau reduzieren kann. Dies ist ein sehr komplexes wissenschaftliches und technisches Querschnittsproblem. Erst wenn die Anzahl der Bits 1.000 erreicht und die Technologien zur Steuerung, Isolierung und zum Lesen gleichzeitig Fortschritte machen, können wir dieses Problem wirklich angehen. (Siehe „Die nächste große Herausforderung im Quantencomputing“)

Sollten wir in dieser Zeit geduldig auf einen Durchbruch in der Quantenfehlerkorrektur warten? Tatsächlich macht das niemand. Derzeit konzentrieren sich Wissenschaftler und Ingenieure auf dem gesamten Gebiet stärker auf „Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing (NISQ)“. Die Idee besteht darin, die Existenz von Rauschen auf der Grundlage des aktuellen Stands der Quantenhardware zuzulassen und gezielt nach Quantenalgorithmen oder Quantensimulationsmethoden mit praktischem Anwendungswert zu suchen. Daher liegen die aktuellen Forschungsschwerpunkte auf variationellen Quantenalgorithmen (VQE) und quantenanalytischen Optimierungsalgorithmen (QAOA), die auf klassisch-quantenbasiertem Hybridcomputing basieren. Zu ihren Anwendungsszenarien zählen quantenchemische Berechnungen, die Optimierung von Finanzportfolios, künstliche Intelligenz usw. Sobald in einem bestimmten Anwendungsfeld Quantenvorteile erzielt werden, wird unser Vertrauen in die Quantenberechnung bestehen bleiben, mehr Mittel und Talente anziehen und dann Schwierigkeiten wie die Quantenfehlerkorrektur überwinden.

Der Weg vor uns ist lang und beschwerlich! Ich werde überall suchen. Quantencomputing ist ein schwieriger Weg. Wir stehen an vorderster Front, können die Richtung jedoch nicht klar erkennen. Vielleicht betreten wir ein Labyrinth, ziehen unsere Schwerter und blicken verwirrt um uns, vielleicht durchdringen wir den Nebel und sehen die Straße vor uns unter unseren Füßen! Manche Leute denken, dass es sich hier um einen Wettbewerb zwischen Ländern handelt, aber ich halte ihn für ein leuchtendes Beispiel menschlichen Geistes. Wir können scheitern, aber wir werden unsere Köpfe nicht senken.

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