Ein neues Gesetz zur Beschreibung der Entwicklungsgeschwindigkeit von Quantencomputern?

Nivens Gesetz besagt, dass sich Quantencomputer mit "doppelter Exponentialgeschwindigkeit" verbessern. Wenn er den Test der Zeit bestehen kann, dann ist das Warten auf die Quantenüberlegenheit nicht lange.

Googles Fuchsschwanz-Quantenprozessor

Im Dezember 2018 führten Wissenschaftler von Google AI Berechnungen mit dem besten Quantenprozessor von Google durch. Sie konnten diese Berechnungen auf einem normalen Laptop reproduzieren. Dann starteten sie im Januar denselben Test mit einer verbesserten Version des Quantenchips. Diesmal brauchten sie einen leistungsstarken Desktop-Computer, um das Ergebnis zu simulieren. Und bis Februar hatten sie nicht mehr die klassischen Computer, die ihre Quantenkonkurrenten simulieren konnten. Dazu mussten die Forscher Prozessorzeit in einem riesigen Netzwerk von Servern anfordern.

"Irgendwann im Februar musste ich ein paar Anrufe tätigen und sagen:" Hey, wir brauchen mehr Quoten ", sagte Hartmut Niven , Direktor des Google Quantum Artificial Intelligence Laboratory. "Wir haben Aufgaben ausgeführt, für die eine Million Prozessoren erforderlich waren."

Diese rasche Verbesserung führte zu den sogenannten Nivens Gesetz, eine neue Regel, die beschreibt, wie schnell Quantencomputer mit klassischen Computern Schritt halten. Die Regel wurde als interne Beobachtung geboren, und erst dann erwähnte Niven sie im Mai auf dem Google Quantum Spring-Symposium. Dort sagte er, dass Quantencomputer die Rechenleistung im Vergleich zu klassischen Computern mit „doppelt exponentieller“ Geschwindigkeit erhöhen - erstaunlich schnelle Bewegungen.

Mit doppeltem exponentiellem Wachstum "scheint es zunächst, dass nichts passiert, nichts passiert, und dann oh - und plötzlich bist du in einer anderen Welt", sagte Niven. "Das beobachten wir."

Selbst exponentielles Wachstum ist ein ziemlich schnelles Phänomen. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Menge wächst, wenn die Potenzen von zwei: 2 ¹ , 2 ² , 2 ³ , 2 ⁴ . Der Anstieg ist zunächst nicht so spürbar, aber die folgenden sind enorm. Das Moore'sche Gesetz, die berühmte Regel, die die Rechenleistung ungefähr alle zwei Jahre verdoppelt, ist exponentiell.

Das doppelte exponentielle Wachstum scheint bedeutender zu sein. Anstatt die Zweiergrade zu erhöhen, wächst der Wert mit dem Grad des Zweiergrads: 2 ^{2 1} , 2 ^{2 2} , 2 ^{2 3} , 2 ^{2 4} . Das doppelte exponentielle Wachstum wurde kürzlich in einem Artikel mit dem Titel „ Computerspezialisten erweitern die Grenzen testbaren Wissens “ hervorgehoben und beschrieb die enorme Wachstumsrate der Komplexität bestimmter Rechenprobleme. Das doppelte exponentielle Wachstum ist so einzigartig, dass es für ihn schwierig ist, Beispiele in der realen Welt zu finden. Und die Geschwindigkeit des Fortschritts beim Quantencomputing könnte das erste Beispiel dafür sein.

Die doppelte Exponentialgeschwindigkeit, mit der Quantencomputer laut Niven klassische Computer einholen, ist das Ergebnis einer Kombination zweier Exponentialfaktoren. Erstens haben Quantencomputer einen internen exponentiellen Vorteil gegenüber klassischen: Wenn beispielsweise eine Quantenschaltung vier Qubits enthält, ist ihre Rechenleistung mit einer Schaltung mit 16 gewöhnlichen Bits vergleichbar. Das wäre auch ohne eine Verbesserung der Quantentechnologie der Fall.

Der zweite Exponentialfaktor tritt aufgrund der schnellen Verbesserung der Quantenprozessoren auf. Laut Niven haben sich die besten Quantenchips von Google in letzter Zeit exponentiell verbessert. Diese Geschwindigkeit ist auf eine Verringerung der Anzahl von Fehlern zurückzuführen. Dies ermöglichte es den Ingenieuren, größere Quantenprozessoren zu bauen, sagte Niven. Wenn klassische Computer exponentiell mehr Rechenleistung benötigen, um Quantenprozessoren zu simulieren, und die Leistung dieser Quantenprozessoren mit der Zeit exponentiell zunimmt, ist das Ergebnis eine doppelte exponentielle Beziehung zwischen Quanten- und klassischen Maschinen.


Hartmut Niven, Direktor des Quantum Artificial Intelligence Lab von Google

Davon sind nicht alle überzeugt. Erstens stehen klassische Computer nicht still. Regelmäßige Chips verbessern sich weiter, auch wenn Moores Gesetz nicht mehr funktioniert . Darüber hinaus entwickeln Informatiker ständig effizientere Algorithmen, mit denen klassische Computer Schritt halten können.

"Angesichts aller beweglichen Teile, einschließlich Verbesserungen von der klassischen und der Quantenseite, ist es schwierig, dieses Wachstum als doppelt exponentiell zu bezeichnen", sagte Andrew Childs , einer der Direktoren des gemeinsamen Zentrums für Quanteninformation und Informatik an der University of Maryland.

Und obwohl die genaue Geschwindigkeit, mit der Quantencomputer mit klassischen Computern aufholen, umstritten sein kann, besteht kein Zweifel an der raschen Verbesserung der Quantentechnologie.

"Ich denke, dass die unbestreitbare Realität dieses Fortschritts den Ball an die Seite von Menschen weitergegeben hat, die glauben, dass skalierbare Quantencomputer nicht funktionieren", schrieb Scott Aaronson , IT-Spezialist an der University of Texas in Austin, per E-Mail. "Jetzt müssen sie klar formulieren, wo und warum dieser Fortschritt aufhören wird."

Das Hauptziel des Bereichs des Quantencomputers besteht darin, effektive Quantenberechnungen zu erstellen, die auf den leistungsstärksten klassischen Computern nicht in angemessener Zeit simuliert werden können (und der Summit- Supercomputer des Oak Ridge National Laboratory gilt heute als der leistungsstärkste). Und unter verschiedenen Forschungsgruppen, die Quantencomputer entwickeln, erklärt Google besonders lautstark, dass es dieses Ziel verfolgt, das als "Quantenüberlegenheit" bekannt ist.

Bisher ist die Quantenüberlegenheit schwer zu erreichen - manchmal scheint es, dass sie gerade erst erreicht wurde, aber bisher gescheitert ist. Wenn jedoch das Gesetz von Niven umgesetzt wird, ist dieses Ziel kurz. Niven sagt nicht genau, wann das Google-Team seiner Meinung nach eine Quantenüberlegenheit erreichen wird, räumt jedoch ein, dass dies bald geschehen kann.

"Wir sagen oft, dass wir glauben, dass wir es 2019 erreichen werden", sagte Niven. "Alle Zeichen sind schon da."