Jacob Hoover
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Google hat gerade einen Quantensprung in der Informatik gemacht. Mit dem hochmodernen Quantencomputer des Unternehmens, Sycamore, hat Google die "Quantenüberlegenheit" gegenüber den leistungsstärksten Supercomputern der Welt behauptet, indem es ein Problem gelöst hat, das für normale Maschinen als praktisch unmöglich angesehen wird.
Der Quantencomputer beendete die komplexe Berechnung in 200 Sekunden. Dieselbe Berechnung würde selbst die leistungsstärksten Supercomputer ungefähr 10.000 Jahre in Anspruch nehmen, schrieb das Forscherteam unter der Leitung von John Martinis, einem Experimentalphysiker an der University of California in Santa Barbara, in seiner am Mittwoch (23. Oktober) veröffentlichten Studie in die Zeitschrift Nature.
"Es ist wahrscheinlich, dass die klassische Simulationszeit, die derzeit auf 10.000 Jahre geschätzt wird, durch verbesserte klassische Hardware und Algorithmen verkürzt wird", sagte Brooks Foxen, ein Doktorand in Martinis 'Labor, in einer Erklärung. "Da wir derzeit 1,5 Billionen Mal schneller sind, fühlen wir uns wohl, wenn wir Anspruch auf diese Leistung erheben", fügte er hinzu und verwies auf die Vormachtstellung von Quantencomputern.
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Quantencomputer nutzen die verrückte Physik der Quantenmechanik, um Probleme zu lösen, deren Lösung für klassische Computer auf Halbleiterbasis äußerst schwierig, wenn nicht unmöglich wäre.
Die Berechnung, die Google erobert hat, ist das Quantenäquivalent dazu, eine sehr lange Liste von Zufallszahlen zu erstellen und ihre Werte millionenfach zu überprüfen. Das Ergebnis ist eine Lösung, die außerhalb der Welt der Quantenmechanik nicht besonders nützlich ist, aber große Auswirkungen auf die Verarbeitungsleistung eines Geräts hat.
Stärke in der Unsicherheit
Gewöhnliche Computer führen Berechnungen mit "Informationsbits" durch, die wie Ein- und Ausschalter nur in zwei Zuständen existieren können: entweder 1 oder 0. Quantencomputer verwenden Quantenbits oder "Qubits", die als beide 1 existieren können und 0 gleichzeitig. Diese bizarre Konsequenz der Quantenmechanik wird als Überlagerungszustand bezeichnet und ist der Schlüssel zum Vorteil des Quantencomputers gegenüber klassischen Computern.
Beispielsweise kann ein Bitpaar zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine von vier möglichen Kombinationen von Zuständen (00, 01, 10 oder 11) speichern. Ein Qubit-Paar kann alle vier Kombinationen gleichzeitig speichern, da jedes Qubit beide Werte (0 und 1) gleichzeitig darstellt. Wenn Sie weitere Qubits hinzufügen, steigt die Leistung Ihres Computers exponentiell an. Drei Qubits speichern acht Kombinationen, vier Qubits speichern 16 und so weiter. Der neue Computer von Google mit 53 Qubits kann 253 Werte oder mehr als 10.000.000.000.000.000 (10 Billiarden) Kombinationen speichern. Diese Zahl wird noch beeindruckender, wenn eine weitere grundlegende und ebenso bizarre Eigenschaft der Quantenmechanik in die Show eintritt: verschränkte Zustände.
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In einem von Albert Einstein als "gruselige Fernwirkung" beschriebenen Phänomen können sich Partikel, die zu einem bestimmten Zeitpunkt miteinander interagiert haben, verwickeln. Dies bedeutet, dass Sie durch Messen des Zustands eines Partikels gleichzeitig den Zustand des anderen Partikels erkennen können, unabhängig vom Abstand zwischen den Partikeln. Wenn die Qubits eines Quantencomputers verwickelt sind, können sie alle gleichzeitig gemessen werden.
Googles Quantencomputer besteht aus mikroskopischen Schaltkreisen aus supraleitendem Metall, die 53 Qubits in einem komplexen Überlagerungszustand verwickeln. Die verschränkten Qubits erzeugen eine Zufallszahl zwischen Null und 253, aber aufgrund von Quanteninterferenz treten einige Zufallszahlen häufiger auf als andere. Wenn der Computer diese Zufallszahlen millionenfach misst, entsteht ein Muster aus ihrer ungleichmäßigen Verteilung.
"Für klassische Computer ist es viel schwieriger, das Ergebnis dieser Operationen zu berechnen, da die Wahrscheinlichkeit berechnet werden muss, dass sie sich in einem der 253 möglichen Zustände befinden, in denen die 53 aus der Anzahl der Qubits stammt - der exponentiellen Skalierung [von Staaten] ist der Grund, warum die Menschen zunächst an Quantencomputern interessiert sind ", sagte Foxen.
Martinis 'Labor nutzte die seltsamen Eigenschaften der Quantenverschränkung und -überlagerung und erzeugte dieses Verteilungsmuster mit dem Sycamore-Chip in 200 Sekunden.
Auf dem Papier lässt sich leicht zeigen, warum ein Quantencomputer herkömmliche Computer übertreffen kann. Die Aufgabe in der realen Welt zu demonstrieren, ist eine andere Geschichte. Während klassische Computer Millionen von Betriebsbits in ihren Prozessoren stapeln können, haben Quantencomputer Schwierigkeiten, die Anzahl der Qubits zu skalieren, mit denen sie arbeiten können. Verwickelte Qubits entwirren sich nach kurzer Zeit und sind anfällig für Rauschen und Fehler.
Obwohl diese Errungenschaft von Google in der Welt des Quantencomputers sicherlich eine Leistung ist, steckt das Feld noch in den Kinderschuhen und praktische Quantencomputer stehen noch weit am Horizont, sagten die Forscher.
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