Google bestätigt Experiment zur Quantum Supremacy

Hier wird ihr Beitrag sinngemäß wiedergegeben. Das englischsprachige Original lesen Sie hier.

Die Autoren beschreiben ihr Experiment bei Google AI Quantum so: Physiker sprechen seit über 30 Jahren von der Leistungsfähigkeit des Quantencomputings, aber die Frage war schon immer: Wird es jemals etwas Nützliches bewirken und lohnt es sich, dafür Zeit und Geld zu investieren? Für solche Großprojekte ist es gute Ingenieurpraxis, kurzfristige Ziele zu formulieren, die zeigen, ob die Entwürfe in die richtige Richtung gehen. Deshalb haben wir [bei Google AI Quantum] ein Experiment als wichtigen Meilenstein entwickelt, um diese Fragen zu beantworten. Dieses Experiment, das als Quantum-Supremacy-Experiment (Quantenüberlegenheit) bezeichnet wird, gab unserem Team die Richtung vor, die vielen technischen Herausforderungen der Quantensystemtechnik zu überwinden, um einen Computer zu entwickeln, der sowohl programmierbar als auch leistungsstark ist. Um die Gesamtsystemleistung zu testen, haben wir einen empfindlichen rechnerischen Benchmark gewählt, der fehlschlägt, wenn nur eine einzelne Komponente des Computers nicht gut genug ist. Heute haben wir die Ergebnisse dieses Experiments zur Quantensouveränität im Nature-Artikel "Quantum Supremacy Using a Programmable Supconducting Processor" veröffentlicht. Wir haben einen neuen 54-Quadratmeter-Prozessor namens "Sycamore" entwickelt, der aus schnellen, hochpräzisen Quantenlogik-Gattern besteht, um den Benchmarktest durchzuführen. Unsere Maschine führte die Zielberechnung in 200 Sekunden durch, und aus Messungen in unserem Experiment haben wir festgestellt, dass der schnellste Supercomputer der Welt 10.000 Jahre brauchen würde, um eine ähnliche Leistung zu erzielen. Das Experiment Um einen Eindruck davon zu bekommen, wie dieser Benchmark funktioniert, stellen Sie sich enthusiastische Quantencomputer-Neulinge vor, die Googles Labor besuchen, um einen Quantenalgorithmus auf dem neuen Prozessor auszuführen. Sie können Algorithmen aus einem kleinen Wörterbuch elementarer Gate-Operationen zusammenstellen. Da jedes Gated eine gewisse Fehlerwahrscheinlichkeit hat, würden sich die Gäste auf eine bescheidene Sequenz mit etwa tausend Gates beschränken wollen. Angenommen, diese Programmierer haben keine Vorkenntnisse, könnten sie etwas erschaffen, das im Wesentlichen wie eine zufällige Abfolge von Gates aussieht, die man sich als das "Hallo-Welt"-Programm für einen Quantencomputer vorstellen könnte. Da es keine Struktur in Zufallsschaltungen gibt, die klassische Algorithmen nutzen können, ist die Emulation solcher Quantenschaltungen typischerweise für klassische Supercomputer mit einem enormen Aufwand verbunden. Jeder Durchlauf einer zufälligen Quantenschaltung auf einem Quantencomputer erzeugt eine Bitkette, zum Beispiel 0000101. Aufgrund der Quanteninterferenz sind einige Bitstrings viel wahrscheinlicher als andere, wenn das Experiment viele Male wiederholt wird. Das Auffinden der wahrscheinlichsten Bitstrings für eine zufällige Quantenschaltung auf einem klassischen Computer wird jedoch exponentiell schwieriger, wenn die Anzahl der Qubits (Breite) und die Anzahl der Gate-Zyklen (Tiefe) zunehmen.

Im Experiment haben wurden zunächst zufällige vereinfachte Schaltungen von 12 bis 53 Qubits durchgeführt, wobei die Schalttiefe konstant gehalten wurde. Das Google-Team überprüfte die Leistung des Quantencomputers mit klassischen Simulationen und verglichen es mit einem theoretischen Modell. Nachdem überprüft wurde, dass das System funktioniert, starteten wir zufällige Schaltungen mit 53 Qubits und zunehmender Tiefe, bis zu dem Punkt, an dem eine klassische Simulation nicht mehr möglich war.

Die Church-Turing These postuliert, dass lassische Computer jedes "vernünftige" Rechenmodell effizient umsetzen können. Googles Experiment ist die erste experimentelle Herausforderung dieser These. Mit der ersten Quantenberechnung, die auf einem klassischen Computer nicht vernünftig nachgebildet werden kann, haben wir einen neuen Bereich des Computings erschlossen, der erforscht werden kann. Im weiteren Verlauf des Blog-Beitrags gehen John Martinis und Sergio Boixo noch auf den Aufbau von Googles Quantenprozessor Sycamore ein. Diese Ausführung finden sie auf dieser Seite (nach unten scrollen).