Nature cover: Quantencomputer sind noch zwei Jahre von praktischen Anwendungen entfernt

IBM hat angekündigt, dass Quantencomputer frühestens in zwei Jahren in den praktischen Einsatz kommen werden!

Das IBM-Team hat das Verhalten eines magnetischen Materials erfolgreich auf seinem Eagle-Quantenprozessor simuliert.

Dies deutet darauf hin, dass das größte Hindernis für die praktische Anwendung des Quantencomputings beseitigt ist.

△Quantencomputer mit „Eagle“-Chip

Dieses Hindernis wird „Quantenrauschen“ genannt und führt zu Fehlern in den Berechnungsergebnissen.

Das Forschungsteam hat das Rauschen jedes Qubits im Prozessor einzeln gemessen und daraus den Zustand des Systems ohne Rauschen abgeleitet.

Basierend auf Beobachtungen und Spekulationen entwickelte das Team eine neue „Fehlerminderungs“-Technologie.

Mit dieser Technologie führte das Team erfolgreich eine komplexe Operation am 127-Qubit-Eagle-Prozessor durch.

Sarah Sheldon, Senior Director der Quantenforschungs- und Entwicklungsabteilung von IBM, sagte, dass wir uns vorstellen können, Quantencomputer zur Lösung bisher unlösbarer Probleme einzusetzen.

Der entsprechende Artikel wurde in der neuesten Ausgabe von Nature veröffentlicht und erschien auf dem Cover.

Dieses Forschungsergebnis wurde auch in der neuesten Ausgabe von Nature Podcast vorgestellt.

In der Sendung kommentierte der Moderator, dass der Schritt von IBM „sehr mutig“ sei, aber auch „schlüssige Beweise“ habe, als Quantencomputing nicht optimistisch sei.

Später in diesem Jahr wird IBM auch den 1121-Qubit-Condor-Chip herausbringen.

Wenn Sie das Rauschen nicht beseitigen können, unterdrücken Sie es einfach

Aufgrund des Quantenverschränkungseffekts existieren Quanten nicht nur auf zwei Arten: 0 und 1, sondern auch in ihren Überlagerungszuständen.

Dadurch ist die Effizienz von Quantenoperationen theoretisch deutlich höher als die von herkömmlichen Computern, die nur zwei Zustände haben: 0 und 1.

Aber tatsächlich wurden Quantencomputer noch nicht in praktische Anwendungen umgesetzt.

Der Grund ist etwas sprachlos – obwohl Quantencomputing schnell ist, ist die Fehlerquote auch sehr hoch.

Der Schuldige hinter dem Fehler ist Quantenrauschen.

Gemäß dem Heisenberg-Unsicherheitsprinzip ist die Umgebung ständig voller schwankender Energie und diese kann nicht beseitigt werden, selbst wenn die Temperatur so niedrig wie der absolute Nullpunkt ist.

Die nie endenden Fluktuationen der Quantenteilchen führen dazu, dass sie sich drängen und miteinander kollidieren. Dies ist die Quelle des Quantenrauschens.

Für ein einzelnes Quantum darf der durch Rauschen verursachte Fehler nicht hoch sein (weniger als 1 %).

Aber ein Quantencomputer ist ein komplexes System, das aus einer großen Anzahl von Quanten besteht, und die von jedem Quant erzeugten Fehler werden nach der Überlagerung nicht vernachlässigbar.

Neben der Lösung des Problems des Quantenrauschens ist es nach Ansicht von IBM auch notwendig, sicherzustellen, dass der Quantenprozessor eine bestimmte Skalierung und Rechengeschwindigkeit aufweist.

Der Prozess der Beseitigung von Quantenrauschen wird als Quantenfehlerkorrektur bezeichnet. Die Methode besteht darin, ein Qubit mit mehr Qubits zu beschreiben, damit Fehler korrigiert werden können.

Aber der Fehler dieser Idee liegt auf der Hand – wir können so viele Qubits einfach nicht kontrollieren.

Daher besteht bei Quantenrauschen heute die häufig verwendete Methode darin, seinen Einfluss auszugleichen, anstatt ihn direkt zu beseitigen.

Die traditionelle Löschmethode besteht darin, Fehlerinformationen in Echtzeit zu überwachen und einen Löschalgorithmus festzulegen. Mit zunehmender Anzahl von Qubits treten jedoch auch Leistungsengpässe auf.

Das IBM-Team hat eine neue Offset-Methode entwickelt, um diesen Engpass zu umgehen.

Der Kern dieser Methode sind zwei Schlüsseltechnologien: Pulsdehnung (Pulse Stretching) und rauschfreie Extrapolation (Zero Noise Extrapolation).

Pulsdehnung verstärkt Quantenfehler, indem die Betriebszeit jedes Qubits verlängert wird, was der Beobachtung zuträglicher ist.

IBM hat dabei das in der Physik gebräuchliche Ising-Modell übernommen.

Die grundlegendste Annahme ist, dass Wechselwirkungen nur zwischen den Spins des nächsten Nachbarn bestehen.

Speziell für dieses Projekt ist die Anordnung der Qubits die Grundlage für die Festlegung der Anordnung des Modellgitters.

Trotz gleicher Anordnung existiert das Ising-Modell unabhängig von der Prozessor-Hardware.

Zero Noise Extrapolation besteht darin, ein Funktionsmodell basierend auf den gesammelten Fehlerinformationen nach der Verstärkung mit unterschiedlichen Verhältnissen zu erstellen (der Erfassungsumfang ist viel geringer als bei der herkömmlichen Methode).

Der Nullpunktwert wird basierend auf dem Funktionsmodell extrapoliert. Dies ist das Berechnungsergebnis, wenn kein Fehler vorliegt.

Obwohl es noch gewisse Einschränkungen gibt, kann der Quantenprozessor nach dem Ausgleich einiger Fehler auf diese Weise bereits einige Operationen ausführen.

Das IBM-Team schickte seine Ergebnisse zur Auswertung und zum Vergleich mit ihren Supercomputern an die University of California, Berkeley.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Berechnungsergebnisse des Eagle-Chip-gesteuerten Quantencomputers den realen Werten viel näher kommen als denen herkömmlicher Computer.

IBM-Forscher wiesen jedoch darauf hin, dass die Verwendung dieser Offset-Methode zur Beseitigung der Auswirkungen von Lärm nur eine kurzfristige Strategie ist.

IBM erweitert zudem sukzessive die Anzahl der in seinen Prozessoren enthaltenen Qubits.

Forschern zufolge werden bis 2033 Prozessoren mit mehr als 100.000 Qubits hergestellt und Quantenfehler bis dahin grundsätzlich gelöst sein.

Papieradresse: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06096-3

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonNature cover: Quantencomputer sind noch zwei Jahre von praktischen Anwendungen entfernt. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!