Um die Leistung eines Supercomputers zu bewerten, wenden sich Informatiker einem Standardwerkzeug zu: einer Reihe von
LINPACK- Algorithmen, mit denen überprüft werden kann, wie eine Maschine Probleme mit einer Vielzahl von Variablen lösen kann. Für Quantencomputer, die eines Tages Probleme lösen können, die für normale Computer unzugänglich sind, gibt es keinen solchen Standard zur Messung der Leistung.
Einer der Gründe ist, dass Computer, die die Gesetze der Quantenmechanik anwenden müssen, um bestimmte Berechnungen zu beschleunigen, sich noch in einem rudimentären Zustand befinden und die verschiedenen möglichen Vorrichtungsschaltungen solcher Computer miteinander konkurrieren. In einigen von ihnen sind die zur Berechnung verwendeten Quantenbits oder Qubits in den Spins einer Folge von "eingefangenen" Ionen eingeschlossen, während andere auf supraleitenden Metallstücken beruhen, die als Reaktion auf Mikrowellenstrahlung mitschwingen. Der Vergleich der rudimentären Architekturen ist wie „als ob wir in einen Kindergarten gegangen wären, um zu entscheiden, welche Babys zu berühmten Basketballspielern werden“, sagt Scott Aaronson, IT-Spezialist an der University of Texas in Austin.
Forscher machen jedoch bereits erste Versuche, die Geschwindigkeit von Quantencomputern zu messen. Im Juni 2019 präsentierten Margaret Martonosi, IT-Spezialistin an der Princeton University, und ihre Kollegen einen Vergleich von Quantencomputern von IBM, Rigetti Computing von Berkeley und der University of Maryland (UMD) im College Park. Eine UMD-Maschine, die mit eingefangenen Ionen betrieben wird, handhabte die meisten der 12 Testalgorithmen genauer als andere supraleitende Computer, und das Team gab dies auf dem Phoenix International Computer Architecture Symposium bekannt. Christopher Monroe, Physiker bei UMD und Gründer von IonQ, sagt voraus, dass solche Vergleiche eines Tages zum Standard werden. "Diese Spielzeugalgorithmen geben uns eine einfache Antwort - hat es funktioniert oder nicht?" Selbst Martonosi warnt jedoch davor, dass bei diesen Tests Vorsicht geboten ist. Die Analyse unterstreicht sogar, wie schwierig es ist, Quantencomputer zu vergleichen, und daher können Entwickler Metriken auswählen, die ihre Maschinen im bestmöglichen Licht erscheinen lassen.
Herkömmliche Computer arbeiten mit Informationsbits, die in Transistoren codiert sind, die ein- und ausgeschaltet werden können und Null oder Eins anzeigen. Ein Qubit kann gleichzeitig sowohl Null als auch Eins bezeichnen und einen Zustand in einem Ion codieren, dessen Spin Null, Einfach oder gleichzeitig in beiden Zuständen sein kann. Mit Qubits kann die Maschine gleichzeitig ein Array eingehender Daten verarbeiten, anstatt dies nacheinander zu tun. Die wirklichen Fähigkeiten der Maschine werden jedoch nicht durch diese massive Parallelität realisiert, sondern durch einen Ansatz für Probleme, deren Lösungen in Quantenwellen codiert werden können, die zwischen Qubits spritzen. Die Wellen stören sich so, dass die falschen Entscheidungen sinken und die richtigen schweben.
Ein Quantencomputer kann beispielsweise Internetverschlüsselungssysteme knacken, die auf der Faktorisierung großer Zahlen basieren - für einen klassischen Computer ist dies eine sehr schwierige Aufgabe. Die Lösung solcher Probleme erfordert jedoch 100.000 Qubits sowie Methoden zur Korrektur von Fehlern in empfindlichen Quantenwellen. Forscher sagen, dass solche Maschinen für einige Jahrzehnte nicht erscheinen werden. Quantencomputer mit nur ein paar Dutzend verrauschten Qubits werden jedoch bald in der Lage sein, bei bestimmten Aufgaben mit normalen zu konkurrieren, und Entwickler suchen bereits nach geeigneten Metriken, um dies zu beweisen.
Quantensprung
Rigetti Computing sucht nach einer Anwendung, die einem Quantencomputer auf der Basis eines supraleitenden Chips einen praktischen Vorteil verschaffen kann. Andere Unternehmen fördern andere Metriken, um den Fortschritt zu messen.
Eine der häufigsten Metriken ist die Lösung eines Problems, das für einen normalen Computer oder den sogenannten Computer zu viel ist. Quantenüberlegenheit. "Es ist wie ein" Hallo Welt! "- Projekt, das die Leistung Ihres Quantencomputers demonstriert", sagte John Martinis, ein Physiker aus Santa Barbara, der Googles Projekt zur Hervorhebung in einer Maschine mit 72 supraleitenden Qubits durchführt.
Die von Forschern von Google gewählte Aufgabe ist äußerst abstrakt. Tatsächlich programmieren sie ihren Quantencomputer so, dass er eine Reihe sich ständig wiederholender Zufallsoperationen an Qubits ausführt. Aufgrund von Quanteninterferenzen muss eine Maschine bestimmte Folgen von Nullen und Einsen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als andere erzeugen. Wenn es keine Interferenz gäbe, wäre die Wahrscheinlichkeit des Auftretens sowohl dieser als auch anderer Sequenzen gleich. Darüber hinaus geht die Vorhersage der genauen Verteilung der Arbeitsergebnisse über die Fähigkeiten klassischer Computer hinaus, wobei die Anzahl der Qubits zunimmt. Wenn Google-Forscher diese charakteristische Verteilung für ihre Maschine mit 72 Qubits messen können, bedeutet dies, dass sie eine Quantenüberlegenheit erreicht haben, indem sie etwas gezählt haben, das einem normalen Computer nicht zur Verfügung steht. Diese kryptische Übung wird jedoch nicht die Ära praktisch nützlicher Quantencomputer eröffnen, sagt Greg Cooperberg, Mathematiker an der University of California in Davis. "Das ist Überlegenheit bei der Lösung einer völlig nutzlosen Aufgabe."
Forscher von Rigetti hingegen wollen zeigen, dass ihr Quantencomputer bestimmte nützliche Aufgaben genauer, schneller oder billiger als gewöhnlich ausführen kann - sie nannten diese Metrik einen Quantenvorteil. "Wir wollen Immobilien schaffen, die uns den kürzesten Weg zum kommerziellen Wert zeigen", sagte Chad Rigetti, Physiker und Gründer des Startups. Ein Quantencomputer sei beispielsweise ideal für die Modellierung komplexer Wechselwirkungen von finanziellen Vermögenswerten in einem Hedgefonds.
Im September 2018 bot Rigetti dem ersten Benutzer, der es geschafft hatte, auf seinen für alle zugänglichen Computern Quantenvorteile zu erzielen, 1 Million US-Dollar an. Die aktuelle Version verwendet 16 supraleitende Qubits. Da Faktoren wie Kosten in der Metrik enthalten sind, ist der Quantenvorteil nicht so streng definiert, sagt Aram Harrow, Physiker am Massachusetts Institute of Technology. "Aber wenn sie etwas verschwommen sind, ist das für Ridgetti keine große Sache", sagt Harrow.
IBM-Forscher haben ihr metrisches Quantenvolumen identifiziert - es misst die Leistung von Quantencomputern ohne Vergleich mit herkömmlichen. Dazu gehört die Überprüfung eines Quantencomputers anhand von Zufallsberechnungen, ähnlich wie bei Google. Dies hängt sowohl von der Anzahl der Qubits als auch von der Anzahl der Rechenzyklen ab, denen eine Maschine standhalten kann, bevor ihr Quantenzustand ausgewaschen wird.
Mit einer Maschine mit 20 supraleitenden Qubits haben IBM-Wissenschaftler ein Quantenvolumen von 16 Einheiten erreicht und planen, es jährlich zu verdoppeln, sagte Jay Gambetta, Physiker am IBM Research Center. Thomas Watson in Yorktown Heights, New York. Er sagt, dass bahnbrechende Anwendungen natürlich folgen werden. "Ich denke nicht, dass es sich lohnt, etwas wie Überlegenheit zu markieren. Wir sind uns dessen bewusst, wenn wir uns immer größeren Erfolgen nähern. “
Und es gibt einen direkten Vergleich wie bei Martonosi. In ihren Tests löste eine 5-Qubit-Ionenmaschine in 90% der Fälle alle Probleme korrekt, im Vergleich zu supraleitenden Qubit-Maschinen, die Probleme in nicht mehr als 50% der Fälle lösten. Dieser Unterschied spiegelt den aktuellen Stand der Technik wider, aber nicht deren Potenzial, sagt Martonosi. Beispielsweise interagiert in einer supraleitenden Maschine jedes Qubit nur mit seinen Nachbarn, aber jedes Ion in der UMD-Maschine interagiert mit allen anderen Ionen, und dies gibt ihm einen Vorteil. Größere Maschinen mit Ionen haben diesen Vorteil jedoch nicht mehr.
Laut Martonosi zeigen Vergleiche eine signifikante Verbesserung der Leistung aller Quantencomputer, wenn sie auf die Unterschiede im Rauschen der Qubits und ihrer Konnektivität programmiert sind. "Es funktioniert mit einer Vielzahl von Hardware-Optionen", sagt sie. "Und das ist sehr cool."
Harrow fragt sich, wie nützlich die aktuellen Metriken auf lange Sicht sein werden. Die Hauptschwierigkeit beim Quantencomputing besteht darin, Technologien zu finden, die auf Tausende von Qubits skaliert werden können, sagt er. "Und diese Metriken hängen sehr eng mit Skalierungsproblemen zusammen."