Die Quantenmechanik gibt es seit über 120 Jahren. Vom Doppelspaltexperiment bis zum Gedankenexperiment von Schrödingers Katze galt sie stets als eines der geheimnisvollsten und komplexesten Gesetze der Physik.
Der amerikanische theoretische Physiker Richard Feynman sagte einmal: „Wenn Sie glauben, die Quantenmechanik zu verstehen, verstehen Sie die Quantenmechanik nicht.“
Auch wenn die Quantenmechanik weit weg von uns scheint, schreitet ihre Entwicklung rasant voran: 2016 startete China erfolgreich den Quantenwissenschafts-Experimentiersatelliten „Micius“, und 2022 wurde drei Wissenschaftlern für ihre Beiträge zur „Quanteninformationswissenschaft“ der Nobelpreis für Physik verliehen.
Vor Kurzem hat Google auch auf dem Gebiet der Quantenmechanik bedeutende Fortschritte erzielt, die als „Meilenstein“-Innovation bezeichnet werden.
Hartmut Neven, Gründer und Leiter des Quantum-KI-Teams von Google, kündigte in einem Blogbeitrag die Einführung des neuesten Quantenchips „Willow“ an und behauptete, dieser ebne den Weg für Quantencomputer im großen Maßstab.
In dem Artikel erklärte Neven, dass dieser Chip „in vielerlei Hinsicht die fortschrittlichste Leistung aufweist“ und „zwei große Erfolge erzielt hat“:
- Erstens erhöhte Willow die Anzahl der „Qubits“ (105) und reduzierte die Fehler „deutlich“.
- Zweitens hat Willow seinen neuesten „Random Circuit Sampling (RCS) Benchmarktest“ in weniger als 5 Minuten abgeschlossen.
Um diese bahnbrechenden Errungenschaften zu verstehen, müssen wir begreifen, wie Quantencomputer und Quantenchips funktionieren.
Ein Kernkonzept der Quantenmechanik ist die „Superposition“, d. h. ein Quantensystem kann in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Quantencomputer nutzen diese Superposition, um „Quantenbits (Qubits)“ zu erzeugen, die grundlegenden Recheneinheiten von Quantencomputern.
Im Gegensatz zu Binärbits in klassischen Computern können Qubits gleichzeitig eine „Superposition“ von 0 und 1 aufweisen. Dieser Zustand ermöglicht es Quantencomputern, mehrere Rechenpfade oder Zustände gleichzeitig zu verarbeiten, was sie bei der Lösung bestimmter komplexer Probleme schneller und effizienter macht als klassische Computer.
Darüber hinaus besteht zwischen Qubits eine besondere Beziehung, die als „Quantenverschränkung“ bezeichnet wird: Bei der Verschränkung von Qubits beeinflusst der Zustand eines Qubits unmittelbar den Zustand eines anderen, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.
Wenn wir also den Zustand eines Qubits kennen, können wir auf den Zustand anderer Qubits schließen und so den Informationstransfer ermöglichen. Diese Funktion macht Quantencomputer bei der Lösung komplexer Probleme effektiver beim Teilen und Übertragen von Informationen.
Der Zustand von Qubits ist jedoch sehr fragil und kann leicht durch äußere Einflüsse (wie Temperatur, Vibration, elektromagnetische Interferenzen) gestört werden, was zum Verlust von Quanteninformationen führt, ein Phänomen, das als „Quantendekohärenz“ bekannt ist. Aufgrund der Verschränkung können sich Fehler von einem Qubit auf andere ausbreiten und so die Rechenleistung beeinträchtigen.
Da Qubits zudem dazu neigen, schnell Informationen mit ihrer Umgebung auszutauschen, ist es eine Herausforderung, die für die Durchführung von Berechnungen erforderlichen Informationen zu schützen. Normalerweise treten umso mehr Fehler auf, je mehr Qubits ein Quantencomputer verwendet, wodurch das gesamte System wahrscheinlicher zu einem „klassischen System“ wird.
Laut Hartmut Neven haben die Forscher von Google jedoch eine neue Methode zur „Quantenfehlerkorrektur“ eingeführt, mit der der Willow-Chip umso mehr Fehler reduzieren kann, je mehr Qubits verwendet werden, wobei die Fehlerrate exponentiell sinkt.
Hartmut Neven erwähnt, dass diese historische Errungenschaft auf diesem Gebiet als „unter dem Schwellenwert“ bekannt ist, was bedeutet, dass Fehler reduziert werden, während die Anzahl der Qubits erhöht wird. Hartmut Neven betont auch, dass dies seit der Einführung der Quantenfehlerkorrektur durch Peter Shor im Jahr 1995 eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe ist.
Daher zeige „below threshold“ einen „echten Fortschritt bei der Fehlerkorrektur“ und Willow sei das erste System unterhalb des Schwellenwerts, was auf die Möglichkeit hinweise, ultragroße Quantencomputer zu bauen. Dieses Forschungsergebnis wurde auch in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Der Artikel erwähnt, dass Willow die RCS-Test (Random Circuit Sampling), beschrieben als „der bislang schwierigste klassische Benchmarktest für Quantencomputer“, in nur 5 Minuten. Hartmut Neven gibt an, dass Willows neueste Ergebnisse „die bisher besten“ seien.
Im Gegensatz dazu würde der schnellste Supercomputer der Welt 10^25 Jahre brauchen, um das RCS abzuschließen, eine Zeitspanne, die das Alter des Universums (ungefähr 13.8 Milliarden Jahre) übersteigt.
Random Circuit Sampling (RCS) ist eine Methode zur Bewertung der Leistung von Quantencomputern. Die Kernidee besteht darin, einen Quantencomputer zu verwenden, um zufällig ausgewählte Quantengatteroperationen auszuführen, zufällige Quantenzustände zu erzeugen und diese Quantenzustände dann abzutasten und zu messen.
RCS wurde erstmals vom Team von Hartmut Neven vorgeschlagen, das angibt, dass es nun die „universeller Standard im Bereich"
Es ist erwähnenswert, dass Google im Jahr 2019 behauptete, sein Quantenprozessor „Sycamore“ könne in drei Minuten eine Berechnung abschließen, für die der schnellste Supercomputer der Welt zehntausend Jahre benötigen würde, und betonte, dass sein Forschungsteam „Quantenhoheit"
IBM bestritt die Testergebnisse von Sycamore, und auch der Begriff „Quantenüberlegenheit“ löste erhebliche Kontroversen aus, obwohl Google darauf beharrte, dass es sich lediglich um einen „künstlerischen Begriff“ handele. In der Folgezeit versuchte Google, die Verwendung dieses Begriffs zu vermeiden und erklärte stattdessen, dass man „über die klassische Computertechnik hinausgegangen“ sei.
Darüber hinaus verwenden IBM und Honeywell in ihrer Quantenmechanikforschung im Allgemeinen den Begriff „Quantenvolumen“, um ihre Quantencomputer zu beschreiben und zu quantifizieren. Google verwendet dieses Konzept überhaupt nicht. Das Fehlen eines einheitlichen Standards erschwert den Vergleich konkurrierender Produkte.
Hartmut Neven erwähnt, dass die Quantentechnologie Anwendung beim Sammeln von KI-Trainingsdaten, bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik und bei der Entdeckung neuer Medikamente findet.
Hartmut Neven freut sich auch auf das nächste Ziel der Quantenmechanikforschung von Google: eine Berechnung durchzuführen, die sowohl „für praktische Programme relevant“ als auch „für klassische Computer unmöglich durchzuführen“ ist, sie also wirklich „nützlich“ und „über die klassische Technik hinausgehend“ macht.
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