Google hat Quantenüberlegenheit erreicht

Ein durchgesickertes Dokument von Google und beitragende Forscher der NASA kündigten letzte Woche einen unglaublichen Fortschritt in der Informatik an. 

In der vergangenen Woche wurde eine historische Behauptung von Google versehentlich (und kurzzeitig) online gestellt: Die AI Quantum-Forschungsgruppe hatte “Quanten-Überlegenheit” erreicht, einen wichtigen Schritt in Richtung ultraleistungsfähiger Computer, mit denen Probleme gelöst werden können, die für aktuelle Maschinen mit Hilfe der Quantenphysik als unmöglich gelten .
Die große Enthüllung wurde etwas durch beitragende Forscher der NASA vereitelt, die versehentlich einen Entwurf zur Verfügung stellten. Google war nicht geneigt, seine Erfolge zu unterschätzen, und machte seine kühne Behauptung im Titel seines Forschungspapiers: “Quantenüberlegenheit durch Verwendung eines programmierbaren supraleitenden Prozessors.” Obwohl das Papier schnell heruntergefahren wurde, wurden Kopien davon archiviert und schweben im Internet.
Google antwortete nicht auf eine Anfrage nach Kommentaren darüber, wie das Papier durchgesickert ist oder wann eine endgültige Version veröffentlicht wird.
Die Nachricht, dass Google diesen Meilenstein erreicht hat, hat dazu geführt, dass die Leute darüber reden, was dies wirklich bedeutet. Trotzdem gibt es auch in der grundlegend verwirrenden Welt der Quantenphysik einige Fakten, die wir von den Spekulationen, Meinungen und Vorhersagen abkoppeln können.
Was wissen wir über den Anspruch von Google auf Quantenüberlegenheit?

Was ist „Quantenüberlegenheit“?

Die Quantenüberlegenheit ist der Punkt, an dem Quantencomputer Probleme lösen können, die für „klassische“ (Nicht-Quanten-) Computer praktisch unlösbar sind, um sie in einem angemessenen Zeitrahmen zu lösen.
Im Prinzip kann sogar der einfachste Universalcomputer alles lösen, was berechenbar ist (d. H. Kann als formales Problem dargestellt werden, für das es eine Antwort oder eine Reihe möglicher Antworten gibt), und dies in unbegrenzter Zeit. Bei der „Überlegenheit“ geht es darum, wie schnell und zuverlässig ein Computer ein Problem lösen kann.
“Der Zweck ist es zu zeigen, dass Sie ein Quantengerät gebaut haben, das mindestens eines kann, das für klassische Maschinen nicht erreichbar ist”, sagte David Gosset, Associate Professor am Institute of Quantum Computing an der University of Waterloo.
Es wird allgemein angenommen, dass mindestens 49 Qubits erforderlich sind, um die Quantenüberlegenheitslinie zu überschreiten. Qubits verhalten sich ganz anders als Bits in klassischen Computern. Bits stellen entweder eine „1“ oder eine „0“ dar, und Computer lesen und führen jeweils ein Bit aus. Im Gegensatz dazu können Qubits einen Kombinationszustand darstellen, der sich aus “1” und “0” zusammensetzt, und zwar aufgrund der besonderen Quanteneffekte, bei denen Eigenschaften wie Teilchenposition, Richtung und Impuls nicht genau definiert sind. Dies ermöglicht, dass sich ein System gleichzeitig in mehreren Zuständen befindet, was als Quantenunbestimmtheit bezeichnet wird.
Quantencomputer können Quantenoperatoren (eine mathematische Transformation) für alle möglichen Werte innerhalb eines Qubit-Zustands verwenden, sodass sie gleichzeitig eine „1“ und eine „0“ lesen und ändern können. Die Fähigkeit, mehr Informationen sofort zu verarbeiten und gleichzeitig auf diese Informationen zu reagieren, ermöglicht es Quantencomputern, äußerst komplexe Aufgaben viel schneller als herkömmliche Computer auszuführen.

Was hat Google getan?

Vor der unbeabsichtigten Ankündigung der Vorherrschaft war Google bereits führend in Bezug auf die Größe seines Quantencomputers. Im vergangenen Jahr wurde ein neuer 73-Qubit-Computer vorgestellt, der dem nächsten Rivalen IBM voraus war, der am 18. September seine eigene Entwicklung eines 53-Qubit-Computers ankündigte.
Für die Demonstration der Vorherrschaft verwendete Google jedoch einen anderen, kleineren Computer namens Sycamore.
Wie in dem durchgesickerten Artikel beschrieben, verwendete Google einen 53-Qubit-Prozessor (ursprünglich 54 Qubit, aber ein Qubit hat das Team enttäuscht), um eine Stichprobenaufgabe durchzuführen. Zunächst wurde ein klassischer Computer verwendet, um eine Reihe von Quantenbefehlen zu generieren, die als Quantentore bezeichnet werden und den logischen Toren entsprechen, die auf die Einsen und Nullen in klassischen Computern einwirken. Diese Serie, die zusammenfassend als Quantenschaltung bezeichnet wird, wurde an den Quantencomputer gesendet, um nur Qubits in reinen Nullzuständen zu bearbeiten und eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die resultierenden Zustände zu generieren. (Dies ist eine Funktion, die aufgrund der Unbestimmtheitsmerkmale der Quantenphysik allen möglichen Werten Wahrscheinlichkeiten zuweist.) Schließlich wurde der Quantencomputer aufgefordert, Stichproben aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung auszugeben.
Um zu überprüfen, ob der Quantencomputer diese Aufgabe tatsächlich ausgeführt hat, musste das Team einen klassischen Computer als „Simulator“ verwenden, um zu überprüfen, ob die Stichproben der Ausgabe des Quantencomputers nahe an den erwarteten Werten liegen.
Der klassische Simulator verwendet mathematische Techniken, um eine ähnliche Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion für den Vergleich mit dem Quantencomputer zu generieren, führt jedoch nicht dieselben Operationen aus – dies würde die Demonstration der Quantenüberlegenheit untergraben. Die Simulation benötigt eine enorme Menge an Ressourcen und Zeit und nimmt mit der Größe des zu überprüfenden Quantencomputers zu. Die Verwendung klassischer Computer zur Überprüfung der Quantenüberlegenheit ist nur möglich, wenn die Quantencomputer etwa 50 Qubits oder weniger aufweisen.
Es sieht so aus, als ob Sycamore diesen Job innerhalb der zulässigen Fehlergrenzen ziemlich schnell abgeschlossen hat. In einer kürzeren Zusammenfassung, die auch online erschien, schätzen die Forscher von Google, dass der modernste klassische Computer heute 10.000 Jahre benötigen würde, um eine Abtastung durchzuführen, die der Quantencomputer in 200 Sekunden durchgeführt hat.
Dies schließt nicht aus, dass es einen sehr effizienten Algorithmus gibt, mit dem ein klassischer Computer die gleiche Aufgabe in einem angemessenen Zeitraum ausführen kann. Gegenwärtig hat niemand mathematisch bewiesen, dass ein solcher Algorithmus nicht existiert, aber es gibt schwächere Beweise, die es unwahrscheinlich machen, dass ein noch unentdeckter superschneller klassischer Algorithmus existiert.

Wie wichtig ist dieses Ergebnis?

In Reaktion auf die durchgesickerte Ankündigung erklärte Präsidentschaftskandidat Andrew Yang, dass „kein Code unknackbar ist“. Er wurde rund geröstet.
Sehen Sie, ein Hauptanliegen des Quantencomputers im Allgemeinen ist, dass unsere aktuellen Sicherheits- und Verschlüsselungsprotokolle vor ultraschnellen und leistungsstarken Maschinen nicht mehr sicher sind. Die Tatsache, dass Sycamore eine bestimmte Aufgabe ausführen kann, von der die Leute glauben, dass sie für einen klassischen Computer zu lange dauern würde, bedeutet jedoch nicht, dass es die Aufgaben ausführen kann, die erforderlich sind, um wichtige Sicherheitsprotokolle zu knacken.
Scott Aaronson, ein Quantenprofessor an der Universität von Texas (Austin), erklärte in einem Blog-Beitrag, warum dies so ist, und beantwortete häufig gestellte Fragen zu den Google-Nachrichten.
Laut Aaronson kann die aktuelle RSA-Verschlüsselung nur durch “mehrere tausend logische Qubits” unterbrochen werden. Aktuelle Quantencomputer haben höchstens weniger als 100 Qubits, und Sycamore hatte sogar noch weniger. Die Maschinen der kanadischen Firma D-Wave verwenden mehr, jedoch einen völlig anderen Ansatz ohne Quantentore.
Logische Qubits sind übergeordnete (abstraktere) Qubits, die nicht von der Quantendekohärenz betroffen sind, die chaotischen Quantenwechselwirkungen, die Rauschen erzeugen und Fehler erzeugen. Ein einzelnes logisches Qubit besteht aus Hunderten, wenn nicht Tausenden von physikalischen Qubits, so dass Fehler aufgrund von Dekohärenz auf physikalischer Qubit-Ebene aufgehoben werden.
Dies bedeutet, dass laut Aaronsons Blog Millionen von physischen Qubits mit „hoher Qualität“ benötigt werden, um die Tausenden von logischen Qubits zu erzeugen, mit denen die heute üblichen Verschlüsselungsmethoden geknackt werden könnten. Bis dahin ist es noch ein langer Weg – Sycamore verwendete 53 physische Qubits.
Ungeachtet dessen sind sich fast alle einig, dass die Ergebnisse von Google für den wissenschaftlichen und technischen Fortschritt wichtig sind. Abgesehen von den Ansprüchen auf Vormachtstellung ist die wichtigste Neuerung, dass der supraleitende Prozessor von Google programmierbar ist, sodass er Anweisungen für verschiedene Aufgaben erhalten kann, von denen einige möglicherweise außerhalb der Reichweite klassischer Computer liegen.
Dennoch bleibt eine gesunde Skepsis. Es ist bekanntermaßen schwierig, Aussagen über die Quantenüberlegenheit zu bestätigen, da die Methoden zur Überprüfung der Quantenergebnisse nicht immer überzeugend sind. In Googles Fall umfasste die Validierung den Vergleich der Quantum-Output-Samples mit einem „idealen“ Output, der von einem klassischen Computer generiert wurde.
“Eine solche Demonstration [der Quantenüberlegenheit] ist von Natur aus nicht nützlich, da die meisten Vorschläge für die Quantenüberlegenheit auf Rechenproblemen beruhen, auf die Sie in keinem anderen Kontext stoßen würden”, sagte Gosset. “Aber es geht um den Boden und erhebt die kühne Behauptung, dass unsere Community genau hinschauen muss, sobald alle Details verfügbar sind.”
Einige Wissenschaftler stellen bereits die Methodik des Experiments in Frage. Gil Kalai, Mathematikprofessor an der Hebräischen Universität von Jerusalem, wies in einem Blogbeitrag darauf hin, dass Googles Untersuchungen nicht zeigen, dass der Quantencomputer tatsächlich die beabsichtigte Wahrscheinlichkeitsverteilung abtastet und nichts anderes unternimmt, um zur Ausgabe zu gelangen.
Ein Hauptproblem, wie er es ausdrückt, ist, dass „sich nur auf das Verhalten von Qubits und Gates zu verlassen“, um zu schließen, was der Quantencomputer tut, keine Fehler, die als „Rauschen“ bezeichnet werden und das Verhalten von Quantencomputern verzerren.
In einem im August veröffentlichten Artikel äußerte er sich besorgt über die Zuverlässigkeit der Art von Quantensuprematie-Demonstrationen, die Google jetzt durchgeführt hat, und schrieb: „Die experimentellen Ergebnisse werden nicht robust sein … und daher werden die Ergebnisse chaotisch sein zweimaliges Experimentieren wird zu sehr unterschiedlichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen führen. “
Hat Google, wie es heißt, die Quantenherrschaft erlangt? Im Moment ist die Antwort unbestimmt.