Google gab kürzlich einen bedeutenden Durchbruch im Bereich des Quantencomputings bekannt, der weltweit große Aufmerksamkeit in der Technologiebranche erregt. Ihr neu entwickelter Quanten-AI-Chip löste eine Gleichung in nur 5 Minuten, für deren Lösung ein normaler Computer unvorstellbare eine Trillion Jahre (eine Dezillion Jahre) benötigen würde. Diese erstaunliche Geschwindigkeitsdifferenz ist schlichtweg atemberaubend.
Engpässe und Durchbruch beim Quantencomputing
Quantencomputing klingt zwar futuristisch und cool, war aber lange Zeit von Instabilität geplagt. Mikroskopisch kleine Teilchen gehorchen nicht den Regeln alltäglicher Objekte, und selbst die fortschrittlichsten Chips können durch kleinste Störungen in ihrem empfindlichen Zustand ausfallen. Forscher versuchen seit Jahrzehnten, diese instabile Eigenschaft für Berechnungen zu nutzen, waren aber durch die zu schnelle Anhäufung von Fehlern, die schwer zu korrigieren sind, eingeschränkt.
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Die Quantenfehlerkorrektur bietet eine mögliche Lösung, ist aber selbst komplex. Sie erfordert die Übertragung von Informationen zwischen mehreren Qubits (den Grundeinheiten der Quantendaten), was theoretisch einfach ist, sich in der Praxis aber als komplexe Herausforderung erweist. Bei zu vielen beteiligten Qubits ist es schwierig, die Fehlerrate unterhalb eines kritischen Schwellenwerts zu halten.
Bis vor kurzem konnte niemand nachweisen, dass die Fehlerrate für speziell für die Skalierung konzipierte Codes unter diesen kritischen Wert sinken kann. Die neue Quantenchip-Architektur von Google hat dies geändert.
Die erstaunliche Leistung des „Willow“-Chips
Hartmut Neven, Gründer des Google Quantum AI Lab und Quantenwissenschaftler, bezeichnete die Leistung des „Willow“-Chips als „erschütternd“. Er fügte hinzu, dass die Ergebnisse der Hochgeschwindigkeitsberechnung „die Ansicht bestätigen, dass Quantenberechnungen in vielen Paralleluniversen stattfinden“. Neven erwähnte auch den Physiker der Universität Oxford, David Deutsch, dessen Theorie besagt, dass die erfolgreiche Entwicklung eines Quantencomputers die „Viele-Welten-Interpretation“ der Quantenmechanik und die Existenz des Multiversums unterstützen könnte.
Deutsch ist seit den 1970er Jahren ein Pionier im Bereich des Quantencomputings. Sein Ziel bei der Erforschung des Quantencomputings war es, seine Multiversum-Theorie zu überprüfen.
Das Konzept des Paralleluniversums
Paralleluniversen, auch alternative Universen oder Multiversum genannt, sind andere Realitäten, die möglicherweise neben unserem eigenen Universum existieren. Stellen Sie sich vor, unser Universum ist nur eine Blase in einem riesigen Universumschaum, wobei jede Blase ein anderes Universum mit eigenen physikalischen Gesetzen, einer eigenen Geschichte und sogar verschiedenen Versionen unserer selbst darstellt.
Wissenschaftler erforschen dieses Konzept mit Theorien wie dem Multiversum, die besagen, dass es unzählige andere Universen geben könnte, jedes mit seinem eigenen Satz von Möglichkeiten. Obwohl wir noch keine handfesten Beweise für Paralleluniversen gefunden haben, wirft diese Idee interessante Fragen nach der Natur der Realität und nach Dingen auf, die über unser derzeitiges Verständnis hinausgehen.
Kontroversen und Lob
Der Astrophysiker und Autor Ethan Siegel stimmt jedoch nicht mit Googles Ansicht überein. Er wirft Google vor, „unverbundene Konzepte zu vermischen, und Neven sollte das wissen“.
Siegel erklärt, dass Neven den mathematischen Raum, in dem Quantenmechanik stattfindet, mit dem Konzept von Paralleluniversen und Multiversum verwechselt. Nach Siegels Aussage können selbst erfolgreiche Quantencomputer die Existenz von Paralleluniversen nicht beweisen.
Trotz der Meinungsverschiedenheiten lobt Siegel Googles Leistung mit dem „Willow“-Chip und bezeichnet ihn als „einen wirklich herausragenden Fortschritt im Bereich des Quantencomputings“. Er ist der Ansicht, dass dieser Durchbruch dazu beitragen könnte, einige der größten Probleme der Erde zu lösen, wie z. B. die Entdeckung neuer Medikamente, die Entwicklung besserer Batterien für Elektroautos und den Fortschritt in der Fusions- und erneuerbaren Energie.
Neven teilt diesen Optimismus und sagt: „Viele dieser zukunftsweisenden Anwendungen sind auf herkömmlichen Computern nicht möglich; sie warten darauf, durch Quantencomputing erschlossen zu werden.“
Der technologische Durchbruch des „Willow“-Chips
Der „Willow“-Chip ist der neueste supraleitende Prozessor, der vom Google Quantum AI-Team entwickelt wurde. Im Gegensatz zu älteren Geräten, bei denen Fehler schwer zu kontrollieren waren, stößt „Willow“ die Leistung in einen neuen Bereich vor und unterstützt Technologien, die darauf abzielen, die Quantenfehlerkorrektur wirklich zu ihrem Versprechen zu führen.
Das System erfüllt die Bedingungen einer bestimmten Methode, die als „Surface Code“ bezeichnet wird. Frühere Versuche stießen bei der Hinzufügung weiterer Qubits auf Hindernisse, doch „Willow“ hat diese Hürde überwunden.
Codedistanz und Quantenfehlerkorrektur
Im Rahmen der Quantenfehlerkorrektur wird oft von etwas namens „Codedistanz“ gesprochen. Vereinfacht ausgedrückt, bezieht sich dies auf die Anzahl der Qubits, die zum Schutz eines Blocks von Quantendaten verwendet werden. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, sollte eine größere Distanz (z. B. von einer Codedistanz von 3 auf 5 und dann auf 7) die Gesamtfehlerwahrscheinlichkeit verringern.
Bei dem neuen Gerät halbiert sich die logische Fehlerrate mit jeder Erhöhung der Distanz um einen Level. Diese Verbesserung war lange Zeit ein Hauptziel der Quantencomputing-Forscher.
Laut den veröffentlichten Forschungsergebnissen sagte Hartmut Neven, Gründer des Google Quantum AI Lab und Quantenwissenschaftler: „‘Willow’ hat eine Standard-Benchmark-Berechnung in fünf Minuten abgeschlossen, für die einer der schnellsten Supercomputer der Gegenwart 10 Dezillionen Jahre benötigen würde.“
Dauerhafte Leistung und Echtzeit-Fehlerkorrektur
Tests mit nur wenigen Zyklen zeigen möglicherweise nicht das volle Bild der Systemstabilität. Der neue Quantenchip von Google umgeht dieses Problem, indem er die Leistung auf eine Million Zyklen steigert. Das Gerät hält seine unterhalb des Schwellenwerts liegende Leistung über einen Zeitraum aufrecht, der andere Systeme an ihre Grenzen bringen würde. Die Genauigkeit der Echtzeit-Decodierung über einen so langen Zeitraum aufrechtzuerhalten, ist keine leichte Aufgabe.
Das Team hinter „Willow“ hat seine Operationen so organisiert, dass Korrekturen sofort angewendet werden können. Diese Methode stellt sicher, dass der Chip nicht aus dem Kurs gerät.
Sundar Pichai, CEO von Google, sagte: „Wir glauben, dass ‚Willow‘ ein wichtiger Schritt auf unserem Weg zum Bau nützlicher Quantencomputer ist.“
Über die traditionellen Grenzen hinaus
Herkömmliche Supercomputer verwenden Milliarden von winzigen Schaltern, die auf gut verstandene Weise funktionieren, um komplexe Aufgaben zu bewältigen. Quantencomputer hingegen nutzen Phänomene, die sich nicht auf klassische Abkürzungen reduzieren lassen. Das Problem bestand bisher darin, wie man die empfindlichen Quantenzustände lange genug am Leben erhält, um sinnvolle Berechnungen durchzuführen.
Mit „Willow“ hat das Team gezeigt, dass Qubits so zusammenarbeiten können, dass Fehler nicht außer Kontrolle geraten. Die Demonstration zeigt, dass Quantenchips auf dem Weg sind, Berechnungen durchzuführen, die über die Möglichkeiten herkömmlicher Systeme hinausgehen.
Die Zukunft des Quantencomputings
Googles Ziel ist es, Hardware zu nutzen, die diese strengen Zuverlässigkeitstests besteht, um zu beweisen, dass Quantencomputing nicht für immer im Stadium von Spielzeugproblemen verbleibt.
Die Erhöhung der Codedistanz ohne Verlust der Fehlerkorrekturfähigkeit deutet darauf hin, dass eine große Anzahl von Qubits eines Tages Algorithmen antreiben könnte, die für reale Aufgaben relevant sind, wie z. B. die Beschleunigung komplexer Simulationen, die Verbesserung von Medikamentenfindungsprozessen und die Erforschung neuer Materialien für die Energiespeicherung.
Der Erfolg von „Willow“, eine unterhalb des Schwellenwerts liegende Fehlerrate über einen längeren Zeitraum zu erreichen, könnte die Bemühungen der Branchen ermutigen, die auf überzeugende Beweise gewartet haben, dass sich Quantenhardware zu einem zuverlässigen Werkzeug entwickeln wird.
Wenn die Fehlerkorrektur zur Routine wird, besteht der Zweck der Quantenfehlerkorrektur nie darin, Fehler vollständig zu eliminieren, sondern sie so selten zu machen, dass die Maschine Berechnungen bis zum Ende durchführen kann.
Wenn zukünftige Designs auf der Stabilität und Skalierbarkeit von „Willow“ aufbauen, könnte diese Fehlerkorrektur eines Tages im Hintergrund ablaufen, ohne dass der Benutzer etwas davon mitbekommt. Das Erreichen dieser fehlertoleranten Ebene könnte es Quantencomputern ermöglichen, Arbeitslasten zu bewältigen, die weit über die Möglichkeiten klassischer Hardware hinausgehen. Dies zeigt einen praktikablen Weg zur Skalierung dieser unglaublichen Maschinen auf.
Globale Zusammenarbeit zur Förderung der Quantenfehlerkorrektur
Die Bemühungen von Google Quantum AI und anderen globalen Gruppen stehen nicht isoliert da. Das Gebiet der Quantenfehlerkorrektur zieht viele Forscher an, die nach Wegen zu praktischen Geräten suchen.
Die Forschung der letzten zehn Jahre hat die Bedeutung bestimmter Gitterdesigns und die sorgfältige Anordnung von logischen Qubits gezeigt. „Willow“ zeigt nun, dass mit der richtigen Chip-Architektur und Fehlerkorrektur-Schema der Schwellenwert überschritten werden kann.
Dies bringt das gesamte Feld näher an den Bau von Maschinen, die nützliche Probleme lösen können. Obwohl die Reise noch nicht beendet ist, ist ein wichtiges Puzzleteil an seinem Platz.
