Die Zukunft mit Quantencomputern ist fast gekommen - aber sind wir bereit dafür?

Wenn man sich der Zeit neuer, nützlicher Geräte nähert, wird der menschliche Faktor beim Rechnen kritisch

Die Zukunft des Rechnens ist ein riesiger Metalltank? Ich werde enttäuscht sein, wenn sich herausstellt, dass darin nur ein Mann mit einem Laptop und Google sitzt.

Yorktown Heights, New York. Ich bin in dem Raum, in dem sich eine der Optionen für zukünftige Computer befindet. Der Computer selbst macht nicht viel Eindruck und sieht aus wie ein Metalltank an der Decke. Das Geräusch macht Eindruck - das periodische metallische Klopfen im Raum. Dies ist das Geräusch des Kühlsystems, das das Gerät auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt bringt. Und dort wird kein gewöhnlicher Chip gekühlt - dies ist der Ansatz von IBM beim Quantencomputing.

Im Jahr 2016 gab IBM eine sensationelle Ankündigung heraus, in der die Öffentlichkeit aufgefordert wurde, eine frühe Version seines Quantencomputers mit nur fünf Qubits auszuprobieren. Dies ist zu wenig für ernsthafte Computer, aber genug, um echte Programmiererfahrung mit der neuen Technologie zu sammeln. Die Technologie entwickelte sich schnell und IBM installierte mehr Tanks in seinem Quantencomputerraum und fügte nach Bedarf neue Prozesse hinzu. Das Unternehmen hat das Projekt bereits auf 20 Qubits erweitert und optimistisch angekündigt, eine Version mit 50 Qubits vorzubereiten.


Wie viele der frühen Computer des Unternehmens ist auch der neue Quantencomputer von IBM in einem beigen Gehäuse untergebracht

Als wir kürzlich das Forschungszentrum besuchten. Die Forscher des Unternehmens, Thomas Watson, äußerten sich vorsichtiger und betonten, dass sie keine Versprechungen machten und dass ein 50-Qubit-Computer nur ein weiterer Meilenstein auf dem Weg in die Zukunft der Quantencomputer sei. Sie haben uns jedoch davon überzeugt, dass IBM garantiert an dieser Zukunft teilnehmen wird, insbesondere aufgrund der Besonderheiten des Ökosystems, das das Unternehmen bei seinen ersten Versuchen schafft.

Chip-Bausteine

Um Qubits zu erzeugen, verwendet IBM supraleitende Drähte, die mit dem Resonator verbunden sind und auf einem Siliziumsubstrat montiert sind. Die Drähte und das Substrat ermöglichen es dem Unternehmen, alle Erfahrungen bei der Herstellung elektronischer Schaltungen zu nutzen. In diesem Fall ist der Draht jedoch eine Mischung aus Niob und Aluminium, wodurch er bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend sein kann. Jerry Chau, der uns den Inspektionsraum für Geräte gezeigt hat, sagt, dass das Unternehmen immer noch mit Details im Bereich der Verbesserung von Qubits experimentiert und verschiedene Formeln und Geometrien testet.

Der Resonator reagiert empfindlich auf die Mikrowellenfrequenz, sodass Sie den Qubit-Wert mithilfe von Mikrowellenimpulsen zuweisen oder lesen können. Jeder Chip verfügt über optische Elemente, die am Eingang Mikrowellen empfangen und auf einzelne Qubits lenken. Mikrowellen allein fallen nicht auf, sodass die Dateneingabe mithilfe vorhandener, vorgefertigter Komponenten organisiert wird. Die einzige Schwierigkeit besteht darin, die Eingangsdaten auf einen Chip zu übertragen, der tief in einen flüssigen Heliumtank eingetaucht ist. Geräte, die dafür ausgelegt sind, sollten nicht nur extrem niedrigen Temperaturen standhalten, sondern auch durch Erwärmen auf Raumtemperatur überleben. Nach dem Abkühlen kann das Gerät endlos arbeiten, ohne dass ein Austausch erforderlich ist.


Ein Teil des Kühlsystems ist in Tanks enthalten. Mit flüssigem Helium können Sie die Temperaturen auf nahezu Null senken

Quantum Computing basiert auf den Feinheiten von Qubits. Chow sagte uns, dass man sich darauf verlassen kann, dass zwei der Qubits leicht unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben, um sie zu verwechseln. Wenn wir jedes Mitglied eines Qubit-Paares mit der Resonanzfrequenz seines Partners ansprechen, können sie verwirrt werden. Dann können Sätze von Paaren in Systemen höherer Ordnung verwickelt werden. Die Qubit-Kohärenz bleibt für 100 μs erhalten, aber einige Qubits können für 10 ns verwechselt werden. Chow sagte, dass es jetzt einige Mikrosekunden dauert, um den Chip zu verwickeln, was genug Zeit gibt, um das gesamte System vorzubereiten und Berechnungen durchzuführen.

Wenn also alles so einfach ist, warum haben wir dann immer noch keinen 50-Qubit-Chip?


Externe Kühlsteuerung - aber kein Quantencomputer

Das Problem ist, dass Qubits extrem empfindlich gegenüber externen Störungen sind. Es kann sich um Geräusche außerhalb des Geräts handeln (obwohl ein Metalltank den Chip abschirmt). Es kann sich um internes Rauschen handeln - ein Kühlsystem, Mikrowellenkabel, die Chipkomponenten selbst - all dies kann mit Qubits interagieren. Und jede Interaktion ist für Berechnungen katastrophal.

Dies bedeutet, dass jede Änderung der Architektur des Chips, selbst das Hinzufügen eines einzelnen Qubits, möglicherweise die Häufigkeit und Art der Fehler bei der Durchführung von Berechnungen ändern kann. IBM beschäftigt sich mit strenger Modellierung und versucht, solche Probleme auf die Herstellung des Chips zu beschränken. In gewissem Sinne handelt es sich jedoch um einen empirischen und schrittweisen Prozess: Sie müssen den Chip verwenden und sehen, was passiert. "Durch Hinzufügen neuer Qubits können wir Geräusch- und Übersprechquellen identifizieren", sagte Chau.

Dies zeigt auch Sarah Sheldon, eine der Wissenschaftlerinnen, die an Mikrowellensystemen arbeitet, die Daten von Qubits steuern und lesen. "Wir haben gute Werkzeuge zur Beschreibung der einzelnen Komponenten, aber es gibt keine geeigneten Methoden zur Beschreibung des gesamten Geräts", sagte Sheldon. "Wenn wir das System erweitern, sind wir mit Situationen konfrontiert, in denen die Steuerung eines Qubits an anderer Stelle zu Fehlern führen kann." Später fügte sie hinzu: „Wir nähern uns dem Grenzwert, nach dem diese Geräte klassisch nicht mehr simuliert werden können - und wie kann man dann sagen, ob sie richtig funktionieren?“


Und alles dafür? Einer der Testchips eines Quantencomputers

Überlegenheit oder Volumen?

Die Idee eines Quantencomputers ist, dass er Berechnungen einer bestimmten Art wesentlich schneller als gewöhnliche Computer durchführen kann. Durch die Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Qubits kann ein Quantencomputer Aufgaben bewältigen, deren Lösung ein herkömmlicher Computer mehr Zeit in Anspruch nehmen würde als das Universum existiert. Die Schwelle, die ein Quantencomputer überschritten hat, wurde als "Quantenüberlegenheit" bezeichnet. Google, das im März 2018 seine Entwicklungen auf dem Gebiet des Quantencomputers angekündigt hatte , erwähnte dieses Konzept.

Natürlich formulierte Google sein Konzept der Quantenüberlegenheit in Bezug auf die zulässige Anzahl von Fehlern (eine Menge, die wir von einem herkömmlichen Computer nicht tolerieren würden). Im Gegensatz dazu entwickelt IBM Fehlerkorrektur-Qubits. Leider erfordert dieses System mehrere zusätzliche Qubits. Bob Sator, IBMs Vizepräsident für Quantencomputer, schlug vor, dass ein Quantencomputer mit mehreren hundert fehlerkorrigierenden Qubits Tausende von Qubits benötigen würde, um zu funktionieren.



Denken Sie daran, dass das Unternehmen immer noch an einem System mit 50 Qubits arbeitet, die nicht an der Fehlerkorrektur beteiligt sind. In naher Zukunft bedroht uns die Quantenüberlegenheit nicht.

Stattdessen schlägt IBM vor, mit dem "Quantenvolumen" zu beginnen, einem Maß, das die Anzahl der für Berechnungen verwendeten Qubits mit der Anzahl der Fehler kombiniert. Das Quantenvolumen würde einen aussagekräftigen Vergleich von Computern von IBM und den von Google beschriebenen Maschinen ermöglichen. Diese Maßnahme lässt uns jedoch nicht wissen, wie nützlich jede dieser Maschinen sein wird.

Und bis zu einem gewissen Grad klingt die Antwort auf diese Frage wie folgt: "Es kommt darauf an." In einigen Fällen können Sie die Fehler sicher in den Griff bekommen. Die einfache Faktorisierung einer großen Anzahl kann beispielsweise auf einem klassischen Computer sofort überprüft werden. In anderen Fällen machen Fehler das Ergebnis der Berechnungen unzuverlässig, und es gibt keine einfache Möglichkeit, es zu überprüfen. Daher sind aktuelle Computer etwas seltsam. "Wir können etwas tun, dessen Verhalten nicht klassisch vorhergesagt werden kann und dessen Arbeit nicht fehleranfällig ist", sagte Jay Gambetta, Manager der Quantencomputer- und Informationsstudiengruppe bei IBM. "Wir wissen nicht, was mit ihrer Hilfe berechnet werden kann."

Er stellte fest, dass viele klassische Computeralgorithmen zuerst erstellt wurden und erst dann ihre Wirksamkeit bewiesen wurde. Bei Quantencomputern ist es ziemlich schwierig, etwas zu beweisen.

Sie können sich einfach der Statistik zuwenden: Führen Sie den Algorithmus mehrmals aus (wodurch möglicherweise ein Teil oder der gesamte Vorteil der Quantenbeschleunigung entfällt) und nehmen Sie die häufigste Antwort. IBM löst dieses Problem insbesondere durch die Beteiligung der Öffentlichkeit und lädt alle ein, seine Computer auszuprobieren. Wenn sie für etwas im aktuellen Zustand nützlich sind, besteht die Möglichkeit, dass jemand es errät.

SDK für QC

Wie kann die Öffentlichkeit dazu gebracht werden, an einer Maschine zu arbeiten, die eine Infrastruktur benötigt, die flüssige Heliumkühlung bietet und auf der keine vorhandene Software ausgeführt werden kann? Ein Teil der Antwort auf die Frage befindet sich an einer der Wände des Computerraums in Form eines traditionelleren Servers, der auf dem POWER- Mikroprozessor basiert. Der Server akzeptiert Aufgaben, die von Personen gesendet wurden, die sich zum Testen von Quantengeräten angemeldet haben. Unter ihnen sind sowohl große Finanzunternehmen als auch Studenten, die Informatik studieren.

IBM stützt sich jedoch auf einen anderen Teil der Antwort: das übergeordnete SDK, das als QISKit bezeichnet wird. Wie ihre Entwicklerin von Steuerungssystemen, Sarah Sheldon, beschreibt, beruhen die Mikrowellenimpulse dieses Systems auf einer Reihe von Generatoren, Mischern und Verstärkern beliebiger Wellenformen. Mit QISKit können Benutzer jedoch alle diese Details ignorieren. Es ermöglicht ihnen, den Anfangszustand der einzelnen Qubits und ihrer Verbindungen zuzuweisen, und dann übersetzt die Software - so etwas wie ein Quantencompiler - dies in eine Reihe von Lichtimpulsen, die erforderlich sind, damit das System ordnungsgemäß funktioniert. "Sie werden nie in Mikrowellenimpulse geraten", verspricht Jay Gambetta.

Die Programmierung erfolgt in Python, sodass die Benutzer vorhandene Fähigkeiten nutzen können.


Das Kühlsystem ist geschlossen und Helium muss nicht ersetzt werden

Die Vereinfachung des Zugriffs ist ein sicherer Weg, um die Teilnahme von Drittanbietern zu fördern. Der Erfolg des Unternehmens hat IBM jedoch zur Aufgabe gemacht, die Community zu verwalten. Gambetta betonte, dass QISKit und der Companion-Compiler erstellt wurden, um ein funktionierendes System zu erhalten. Er diskutierte, wie das System modularer gestaltet werden kann, damit es Beiträge verschiedener Benutzer enthalten kann. Seiner Meinung nach hat das IBM-Team bereits mehr Beiträge zum Code gesammelt, als es verarbeiten kann. Er erwähnte auch, dass er anfangen möchte, so etwas wie Codebibliotheken zu sammeln, und dass Dinge wie die Implementierung einer schnellen Fourier-Transformation sich bei der Lösung einer Vielzahl von Problemen bewährt haben.

Und während IBM solche Bemühungen fördert, hofft Gambetta auch, dass die Menschen natürlich das Interesse an diesem Thema wecken werden. Quantencomputer sind seit ihrer Geburt größtenteils auf dem Gebiet der Physik tätig. Informatiker sahen keinen Grund dafür, weil die Geräte ihnen einfach keine Berechnungen liefern konnten. Die Situation beginnt sich zu ändern, und der Beitrag der Informatiker kann für die Entwicklung dieses Gebiets von entscheidender Bedeutung sein, da sie, wie Gambetta bemerkt, „Aufgaben anders betrachten als wir Physiker“.

Er ist auch optimistisch hinsichtlich des Einsatzes von IBM-Geräten in Informatikkursen. Wenn Quantencomputer zu einem festen Bestandteil der Ausbildung von Menschen werden, fällt es ihnen leichter, sich auf sie als Instrument zu beziehen, das für bestimmte Aufgaben nützlich ist. An diesem Punkt wird ein Quantencomputer so etwas wie eine GPU oder ein anderes spezielles Gerät, in dem Sinne, dass die Leute nur entscheiden müssen, ob sich eine mögliche Beschleunigung des Schreibens von speziellem Code lohnt.

Im Allgemeinen hatte ich nach dem Besuch den Eindruck, dass das Quantencomputing einen Übergangspunkt erreicht hat. Ein Teil der Tour wurde benötigt, um sich die Ausrüstung anzusehen, aber es könnte der am wenigsten interessante Teil dieses Gebiets werden. Mit der Bewegung des Fortschritts und dem Hinzufügen neuer Qubits wird der Prozess eine langsame Verbesserung und empirische Prüfung sein. Und die Ausrüstung, die in einem sorgfältig isolierten Tank mit flüssigem Helium versteckt ist, ist nicht das Interessanteste.

Die ganze Aufgabe besteht nun darin, das Beste aus vorhandenen Geräten herauszuholen und sie zu nutzen, um unsere Bereitschaft zu gewährleisten, die Fähigkeiten von Computern zu verbessern. Und in diesem Moment wird der menschliche Faktor - das Sammeln von Erfahrungen und das Community-Management - immer wichtiger.