Quantencomputer. Das Jiuzhang-Gerät ist viel schneller als Supercomputer

Ein Team chinesischer Wissenschaftler hat einen Quantencomputer entwickelt, der nach Ansicht seiner Autoren die Überlegenheit der Quanten demonstriert. Der Vorteil des Jiuzhang-Rechners manifestiert sich in der Rechengeschwindigkeit. Nach Angaben des chinesischen Forscherteams benötigte ihr Quantencomputer nur 200 Sekunden, um Berechnungen durchzuführen, für die der schnellste herkömmliche Computer Millionen von Jahren benötigen würde.

Nature https://www.nature.com/articles/d41586-020-03434-7

Im Oktober letzten Jahres bestätigten Vertreter von Google einen früheren Medienbericht über das Erreichen der Quantenüberlegenheit. Der von ihnen geschaffene Sycamore-Computer schien ein lang erwarteter Durchbruch im Quantencomputing zu sein. Google-Ingenieure berichteten, dass ihr Quantencomputer in etwas mehr als drei Minuten ein Problem gelöst hat, für das selbst die besten konventionellen Maschinen Tausende von Jahren brauchen würden.

Quantencomputer können herkömmliche Maschinen weit übertreffen. Das Ziel ist es, die so genannte "Quanten-Supremacy" zu erreichen, die einen enormen Rechenvorteil gegenüber herkömmlichen Computern darstellt. Der Sycamore-Computer hat diesen Vorteil nur in einem ganz bestimmten Fall erreicht. Das Experiment der Google-Ingenieure bestand darin, zufällige Operationen auf Qubits durchzuführen und das Ergebnis abzulesen. Der resultierende Satz von Ziffern, die in einem Binärsystem kodiert sind, wurde daraufhin überprüft, ob ihre Verteilung wirklich zufällig ist. Diese Berechnungen sind nicht besonders nützlich, haben aber große Auswirkungen auf die Rechenleistung des Geräts.

Bild Quelle: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-020-03434-7; Hansen Zhong

Jiuzhang

Quantencomputer sind noch ein neues Feld. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten an sehr unterschiedlichen Projekten. Chinesische Wissenschaftler haben in "Science" über ihren Quantencomputer und dessen Leistungsfähigkeit informiert. Ihr Computer unterscheidet sich jedoch von der Maschine von Google.

Sycamore basiert auf Qubits, also Quantenbits, die durch hochgekühlte supraleitende Materialien dargestellt werden. Während klassische Computer Berechnungen mit Bits durchführen, die einen von zwei Zuständen einnehmen können (üblicherweise durch 1 oder 0 repräsentiert), können die Quantenbits, oder Qubits, in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Dadurch können sie Probleme schneller lösen als klassische Computer.

Aber obwohl die Theorien, die vorhersagen, dass Quantenberechnungen diese klassischen Berechnungen besiegen werden, seit Jahrzehnten existieren, erwies sich der Bau praktischer Quantencomputer als viel schwieriger.

Wissenschaftler aus China haben einen Quantencomputer geschaffen, der auf Photonen basiert. Sie benutzten Laserstrahlen, um Berechnungen durchzuführen, die auf normalen Computern praktisch unmöglich waren. Dies ist das sogenannte Gaußsche Bosonen-Sampling (GBS). Jiuzhang schaffte in Minuten, was auf den besten existierenden Supercomputern Millionen von Jahren dauern würde.

Abtasten des Bosons

Das Problem des Bosonen-Samplings besteht darin, die Wahrscheinlichkeitsverteilung vieler Bosonen - Kategorien von Elementarteilchen einschließlich Photonen - zu berechnen, deren Quantenwellen miteinander interferieren, so dass die Position der Teilchen im Wesentlichen gezeichnet wird. Mit anderen Worten, es geht um die Berechnung der Ausgangsleistung einer linearen optischen Schaltung, die mehrere Eingänge und Ausgänge hat.

Chinesische Wissenschaftler haben eine Maschine konstruiert, in der die Photonen parallel zum Stromkreis geschickt werden, und wenn sie einmal drin sind, werden sie durch Strahlteiler oder Spiegel getrennt. Es ist erwähnenswert, dass, wenn zwei Photonen zur gleichen Zeit auf denselben Strahlteiler treffen, beide den gleichen Weg nehmen. Die Bosonen-Sampling-Methode hat die Aufgabe, die Verteilung der Photonen am Ausgang zu erraten - aus der Photonenkonfiguration am Eingang der Ausgangskonfiguration zu raten. Herkömmliche Computer bleiben sehr schnell in einer Sackgasse stecken, wenn sie versuchen, die Verteilungen eines solchen Systems zu berechnen.

Jiuzhang wurde gebaut, um 100 Eingänge und 100 Ausgänge mit 300 Strahlteilern und 75 Spiegeln zu verarbeiten. Das gesamte optische System war miteinander verbunden, so dass jedes Photon an jedem Punkt in das System eintreten und auch an jedem Punkt wieder austreten konnte.

Der von chinesischen Wissenschaftlern entwickelte Jiuzhang-Computer fand eine Lösung für das Problem der Abtastung des Bosons in 200 Sekunden. Die Wissenschaftler schätzten auch, dass solche Berechnungen auf dem chinesischen Supercomputer TaihuLight (der derzeit als der drittstärkste Supercomputer der Welt gilt) 2,5 Milliarden Jahre dauern würden.