Google hat einen bahnbrechenden Prototypen eines Quantencomputers vorgestellt, der einen bedeutenden Meilenstein in der Rechenleistung darstellt. Diese neue Maschine schafft das, wofür aktuelle Supercomputer zehn Trillionen Jahre benötigen würden – eine unfassbar lange Zeitspanne, die das Alter des Universums übersteigt – und erledigt die Aufgabe in nur fünf Minuten. Dieser am Montag angekündigte Fortschritt wird von „Willow“ angetrieben, dem neuesten Quantencomputerchip von Google.
Willow: Verdoppelung der Qubit-Anzahl
Der Willow-Chip stellt einen großen Fortschritt in der Quanteninformatik dar, da er die Anzahl der Qubits, oder Quantenbits, im Vergleich zu seinem Vorgänger Sycamore verdoppelt. Diese Erhöhung der Qubit-Anzahl hat erhebliche Fortschritte bei der Reduzierung von Fehlern bei der Quanteninformatik ermöglicht. Die Fehlerreduzierung ist entscheidend für die Entwicklung von Quantencomputern von theoretischen Konstrukten zu praktischen Geräten, die die wissenschaftliche Forschung und Entdeckung revolutionieren können.
Willow Systemmetriken |
|
| Anzahl der Qubits | 105 |
| Durchschnittliche Konnektivität | 3.47
(4-Wege typisch) |
Quantenfehlerkorrektur (Chip 1) |
|
| Einzel-Qubit-Gate-Fehler‘ (Mittelwert, gleichzeitig) | 0.035 % ‡ 0.029 % |
| Zwei-Qubit-Gate-Fehler‘ (Mittelwert, gleichzeitig) | 0.33 % $ 0.18 %
(CZ) |
| Messfehler (Mittelwert, simultan) | 0.77 % ‡ 0.21 %
(repetitiv, Qubits messen) |
| Optionen zurücksetzen | Mehrstufiges Zurücksetzen (Zustand 1 und höher)
Leckagebeseitigung (12) nur Staat) |
| T, Zeit
(bedeuten) |
68 US = 13 US? |
| Fehlerkorrekturzyklen pro Sekunde | 909,000
(Oberflächencodezyklus = 1.1 µs) |
| Anwendungsleistung | ^3,57 = 2.14 $ 0.02 |
Zufällige Schaltungsabtastung (Chip 2) |
|
| Einzel-Qubit-Gate-Fehler‘ (Mittelwert, gleichzeitig) | 0.036 % ÷ 0.013 % |
| Zwei-Qubit-Gate-Fehler‘ (Mittelwert, gleichzeitig) | 0.14% + 0.052%
(iswap-ähnlich) |
| Messfehler (Mittelwert, simultan) | 0.67 % + 0.51 % (Terminal, alle Qubits) |
| Optionen zurücksetzen | Mehrstufiges Zurücksetzen (Zustand 11 und höher)
Leckagebeseitigung (2) nur Staat) |
| T, Zeit (Mittelwert) | 98 us + 32 us |
| Schaltungswiederholungen pro Sekunde | 63,000 |
| Anwendungsleistung | XEB-Treuetiefe 40 = 0.1 % |
| Geschätzte Zeit auf Willow im Vergleich zum klassischen Supercomputer | 5 Minuten vs. 1025 Jahre |
Quantencomputer verstehen
Quantencomputer unterscheiden sich grundlegend von den klassischen Computern, die wir täglich verwenden. Während klassische Computer Informationen mithilfe von Transistoren verarbeiten, die zwischen „1“ und „0“ hin- und herschalten, basieren Quantencomputer auf subatomaren Teilchen, die in Quantenzustände manipuliert werden. Diese Teilchen, bekannt als Qubits, nutzen zwei Schlüsselprinzipien der Quantenmechanik:
- Überlagerung: Qubits können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren, anstatt auf binäre Werte beschränkt zu sein. Dadurch können Quantencomputer Berechnungen durchführen, die für klassische Systeme unpraktisch sind. Google hat diese Fähigkeit mithilfe des Benchmarktests „Random Sampling Circuit“ bestätigt und damit die überlegene Geschwindigkeit seines Quantencomputers demonstriert.
- Verstrickung: Qubits können miteinander verknüpft werden, sodass der Zustand eines Qubits den Zustand eines anderen direkt beeinflusst, unabhängig von der Entfernung. Obwohl der genaue Mechanismus der Verschränkung weiterhin ein Rätsel ist, ist ihre Wirksamkeit in der Quanteninformatik gut dokumentiert. Albert Einstein nannte dieses Phänomen bekanntlich „spukhafte Fernwirkung“.
Bewältigung der Fehlerherausforderung
Trotz ihres immensen Potenzials stehen Quantencomputer vor großen Herausforderungen aufgrund der Fehlerhäufigkeit. Qubits sind hochempfindlich und anfällig für Störungen durch selbst kleinste Störungen, wie etwa kosmische Strahlung. Die Beobachtung eines Qubits führt direkt zum Kollaps seines Quantenzustands, wodurch es zu einem klassischen Bit wird und seine Quanteneigenschaften aufgehoben werden. Folglich erfordert die Fehlerkorrektur in Quantensystemen eine indirekte Beobachtung durch andere Qubits.
Mit der zunehmenden Größe von Quantencomputern sind in der Vergangenheit die Fehlerraten gestiegen, was zu einem Engpass bei der Skalierung dieser Systeme geführt hat. Die Quantum AI-Abteilung von Google hat jedoch eine innovative Fehlerkorrekturmethode entwickelt, die die Fehlerraten mit zunehmender Größe der Qubits exponentiell senkt. Dieser Durchbruch stellt einen entscheidenden Erfolg beim Bau skalierbarer, praktischer Quantencomputer dar.
Die Straße entlang
Googles Fortschritte bei der Quantenfehlerkorrektur bringen das Feld zwar der Realisierung seines transformativen Potenzials näher, es bleiben jedoch noch erhebliche Herausforderungen. Um Quantencomputer auf operative Größen zu skalieren, sind weitere Innovationen erforderlich. Dennoch sind die langfristigen Möglichkeiten enorm.
Man erwartet, dass Quantencomputer Durchbrüche in der Materialwissenschaft und Biologie vorantreiben werden, indem sie Berechnungen auf molekularer und atomarer Ebene ermöglichen, die für klassische Computer undurchführbar sind. Darüber hinaus könnten ihre Anwendungen weit über die heute bekannten Anwendungsfälle hinausgehen und bisher unvorstellbare Möglichkeiten eröffnen.
Googles Vorstellung des Willow-Chips und die damit verbundenen Fortschritte bei der Quantenfehlerkorrektur stellen einen gewaltigen Fortschritt in der Quanteninformatik dar. Auch wenn praktische Quantencomputer im großen Maßstab noch in weiter Ferne liegen, unterstreicht dieser Meilenstein das Potenzial der Technologie, wissenschaftliche Entdeckungen neu zu gestalten und derzeit unüberwindbare rechnerische Herausforderungen anzugehen.
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