Der ständige Kampf zwischen Quantenphysik und klassische Computer
Josef Bsharah/ Magazin Quanten
Ein weit verbreitetes Missverständnis ist,
dass das Potenzial – und die Grenzen — von Quantum computing Hardware
kommen muss. Im digitalen Zeitalter haben wir daran gewöhnt,
Kennzeichnung Fortschritte in der Taktfrequenz und Speicher. Ebenso
haben die 50-Qubit Quantum Maschinen kommen jetzt von den gleichen von
Intel und IBM online-Vorhersagen, dass wir uns nähern "Quantum
Vorherrschaft"inspiriert – eine nebulöse Grenze wo Quantencomputer
beginnen, Dinge über die Fähigkeit zu tun der klassische Maschinen.
Quanten-Magazin
Über
Originalgeschichte Nachdruck mit freundlicher
Genehmigung von Quanten-Magazin, eine redaktionell unabhängige
Publikation der Simons Stiftung deren Aufgabe ist es, öffentliche
Verständnis von Wissenschaft zu verbessern durch Entwicklungen in der
Forschung abdecken und Trends in der Mathematik und der physischen und
Life Sciences.
Quanten-Vorherrschaft ist aber kein einziges,
fegen Sieg anzustreben – ein breites Rubikon überschritten werden –
sondern eher eine langwierige Reihe von kleinen Duellen. Es werden
etablierte Problem durch Problem Quanten-Algorithmus im Vergleich zu
klassischen Algorithmus. "Fortschritt ist mit Quantencomputer, nicht nur
um Geschwindigkeit,", sagte Michael Bremner, ein Quanten-Theoretiker an
der University of Technology Sydney. "Es ist viel mehr über die
Komplexität der Algorithmen im Spiel."
Paradoxerweise sind Berichte über
leistungsstarke Quantum Berechnungen motivierende Verbesserungen zu
klassischen, so dass es schwieriger für Quantum-Maschinen, um einen
Vorteil zu verschaffen. "Die meiste Zeit, wenn Menschen reden,
Quanten-computing, klassischen computing wird abgewiesen, wie etwas, das
hinter seiner höchsten Vollkommenheit ist", sagte Cristian Calude, ein
Mathematiker und Informatiker an der University of Auckland in
Neuseeland. "Aber das ist nicht der Fall. Dies ist eine laufende
Wettbewerb."
Und die Torpfosten verschieben sich. "Wenn es
darum geht zu sagen, wo die Vorherrschaft-Schwelle ist, hängt wie gut
die besten klassischen Algorithmen sind," sagte John mehreren, ein
theoretischer Physiker am California Institute of Technology. "Wie sie
besser werden, haben wir die Grenze zu bewegen."
"Es sieht nicht So einfach"
Bevor der Traum eines Quantencomputers Form in
den 1980er Jahren nahm, nahm die meisten Informatiker für
selbstverständlich, dass klassische computing war alles da war. Das Feld
Pioniere hatten überzeugend dargelegt, dass klassische
Computer-verkörpert durch die mathematische Abstraktion als eine
Turing-Maschine bekannt – sollte in der Lage, alles zu berechnen, die im
physikalischen Universum von Grundrechenarten, Aktienhandel, berechenbar
ist Schwarzes Loch Kollisionen.
Klassischen Maschinen unbedingt alle diese
Berechnungen effizient, aber nicht. Angenommen, Sie wollten etwas wie
das chemische Verhalten eines Moleküls zu verstehen. Dieses Verhalten
hängt vom Verhalten der Elektronen im Molekül, die in einer Überlagerung
von vielen klassischen Staaten bestehen. Die Dinge messier, den
Quantenzustand jedes Elektron richtet sich nach den Staaten aller
anderen – aufgrund der quantenmechanisches Phänomen, bekannt als
Verschränkung. Klassische Berechnung dieser verschränkte Zustände in
sogar sehr einfache Moleküle kann zum Alptraum der exponentiell
zunehmenden Komplexität werden.
Ein Quantencomputer kann hingegen mit den
ineinander verschlungenen Schicksale der Elektronen unter Studie
umgehen, indem zusammenlaufen und eine eigene Quantenbits verwickelt.
Dies ermöglicht dem Computer, außerordentliche Mengen an Informationen
zu verarbeiten. Jedes einzelne Qubit hinzufügen verdoppelt sich die
Staaten, die das System kann gleichzeitig speichern: zwei Qubits können
vier Staaten, drei Qubits können acht Staaten zu speichern, und so
weiter. Somit benötigen Sie nur 50 verschränkten Qubits zu Modell
Quantenzustände, die exponentiell viele klassische Bits erfordern würde
– 1,125 Billiarden um genau zu sein – zu kodieren.
Eine Quanten-Maschine könnte damit auch die
klassisch unlösbare Problem große quantenmechanische Systeme gefügig zu
simulieren, oder so schien es. "Natur ist nicht klassisch, verdammt noch
mal, und wenn Sie eine Simulation der Natur machen möchten, Sie würden
besser machen es Quantum mechanische," der Physiker Richard Feynman
berühmt im Jahr 1981 witzelte. "Und bei Gott ist es ein wunderbar
Problem, weil es nicht so einfach aussieht."
Es war natürlich nicht.
Noch bevor jemand mit Quanten Hardware basteln
begann, kämpfte Theoretiker, mit passender Software zu kommen. Schon
sehr früh gelernt Feynman und David Deutsch, ein Physiker an der
Universität Oxford, dass sie Quanteninformation, mit mathematischen
Operationen kontrollieren könnten, lineare Algebra, die Tore genannt
entlehnt. Als Analoga zu klassischen Logik-Gatter, manipulieren
Quantengatter Qubits in vielerlei Hinsicht – in einer Abfolge von
Überlagerungen und Verwicklungen zu leiten und dann ihre Messausgang.
Durch das Mischen und passende Tore zum Form-Schaltungen, könnte die
Theoretiker leicht Quantenalgorithmen zusammenstellen.
Richard Feynman, Physiker, der kam auf die
Idee für einen Quantencomputer in den 1980er Jahren, witzelte, dass "bei
Gott, es eine wunderbare Problem, weil es nicht so einfach aussieht."
Cynthia Johnson/Getty Images
Konzeption von Algorithmen, die klare
rechnerische Vorteile versprach sich als schwieriger. Durch den frühen
2000er Jahren hatte Mathematiker mit nur ein paar gute Kandidaten
kommen. Am berühmtesten, 1994, eine junge Mitarbeiterin in den Bell
Laboratories namens Peter Shor vorgeschlagen eine Quanten-Algorithmus ,
dass Faktoren Ganzzahlen exponentiell schneller als alle bekannten
klassischen Algorithmus – eine Effizienz, die es zu knacken viele
beliebte ermöglichen könnte Verschlüsselungsschemata. Zwei Jahre später
entwickelte Shors Bell Labs Kollege Lov Grover einen Algorithmus , der
die klassisch mühsam beschleunigt unsortierte Datenbanken zu
durchsuchen. "Gab es eine Vielzahl von Beispielen, die Quanten
Rechenleistung angegeben größer als klassische, sein sollte", sagte
Richard Jozsa, ein Quantum Informatiker an der University of Cambridge.
Jozsa, zusammen mit anderen Forschern würde
entdecken sondern auch eine Vielzahl von Beispielen, die genau das
Gegenteil angegeben. "Es stellt sich heraus, dass viele schöne
Quantenprozessen aussehen sie kompliziert sein sollte" und daher schwer,
auf einem klassischen Computer simulieren, Jozsa sagte. "Aber mit
clever, subtile mathematische Techniken, können Sie herausfinden, was
sie tun werden." Er und seine Kollegen festgestellt, dass sie diese
Techniken verwenden, um effizient zu simulieren – oder
"de-Quantisierung," wie Heidi sagen würde – eine erstaunliche Anzahl von
Quanten-Schaltungen. Zum Beispiel tappen Schaltungen, die Verschränkung
lassen in diese Falle, wie diejenigen, die nur eine begrenzte Anzahl von
Qubits zu verwickeln oder nur bestimmte Arten von Wucherwurzeln Tore zu
verwenden.
Was, dann gewährleistet, dass ein Algorithmus
wie Shor einzigartig leistungsfähig ist? "Das ist sehr viel eine offene
Frage", sagte Jozsa. "Wir konnten nie wirklich verstehen, warum einige
[Algorithmen] sind einfach zu klassisch simulieren und andere nicht.
Klar ist die Verschränkung wichtig, aber es ist nicht das Ende der
Geschichte." Experten begann zu Fragen, ob von der Quantenalgorithmen,
die sie glaubten viele überlegen waren vielleicht entpuppen sich um nur
normal zu sein.
Probenahme-Kampf
Bis vor kurzem war die Verfolgung der Quantum
macht weitgehend abstrakt. "Wir waren nicht wirklich besorgt mit der
Umsetzung unserer Algorithmen, da niemand glaubte, dass in der
angemessenen Zukunft wir einen Quantencomputer hätten zu tun," sagte
Jozsa. Läuft Shors-Algorithmus für ganze Zahlen groß genug, um einen
standard 128-Bit-Verschlüsselung-Schlüssel, zum Beispiel zu entsperren
Tausende von Qubits erfordern würde — sowie wahrscheinlich viele
Tausende mehr, Fehler zu korrigieren. Experimentalisten, wurden
unterdessen Gefummel beim Versuch, mehr als eine Handvoll Kontrolle.
Aber bis zum Jahr 2011 wurden die Dinge
beginnen, nachschlagen. Herbst, bei einer Konferenz in Brüssel, mehreren
spekuliert , die "den Tag wann gut kontrollierten Quantensystemen
übertrifft Aufgaben können, was getan werden kann, in der klassischen
Welt" nicht weit weg sein könnten. Den letzten Laborergebnisse, sagte
er, könnte bald zu Quantum Maschinen in der Größenordnung von 100 Qubits
führen. Bekommen sie, ziehen Sie einige "Super-klassische" Kunststück
vielleicht nicht ausgeschlossen. (Obwohl D-Wave Systems kommerzielle
Quantenprozessoren könnte dann 128 Qubits hadern und verfügen nun über
mehr als 2.000 sie nur gezielte Optimierungsprobleme angehen, viele
Experten bezweifeln, dass sie klassische Computer übertreffen können.)
"Ich wollte nur betonen wir waren nah dran –,
dass wir endlich einen echten Meilenstein in der menschlichen
Zivilisation wo Quanten-Technologie wird die mächtigste Informations-und
Telekommunikationstechnologie, die wir haben erreichen könnte," sagte
mehreren. Er nannte diesen Meilenstein "Quantum Vorherrschaft." Der Name
– und der Optimismus – stecken. "Es zog in einem Ausmaß, das ich vermute
nicht."
Das Summen über Quantum Vorherrschaft
reflektiert eine wachsende Begeisterung im Bereich — über experimentelle
Fortschritte, ja, aber vielleicht noch so über eine Reihe von
theoretischen Durchbrüche, die mit einem 2004 Papier durch die
IBM-Physiker Barbara Terhal und David begann DiVincenzo. In ihren
Bemühungen, Quantum Vermögen zu verstehen hatte das Paar ihre
Aufmerksamkeit auf rudimentäre Quanten-Rätsel bekannt als Probenahme
Probleme gedreht. In der Zeit würde diese Klasse von Problemen
Experimentatoren die größte Hoffnung für den Nachweis einer eindeutigen
Beschleunigung auf frühen Quantum-Maschinen geworden.
David Deutsch, ein Physiker an der Universität
Oxford, kam das erste Problem, das ausschließlich von einem
Quantencomputer gelöst werden könnte. Lulies Tanett
Probenahme-Probleme nutzen die schwer fassbare
Natur der Quanteninformation. Sagen Sie, dass Sie eine Folge von Toren
auf 100 Qubits anwenden. Diese Schaltung kann die Qubits in eine
mathematische Ungeheuerlichkeit gleichbedeutend mit etwas in der
Größenordnung von 2 Peitschen.100 klassischen Bits. Aber sobald Sie das
System messen, seine Komplexität reduziert auf eine Reihe von nur 100
Bits. Das System wird mit einer bestimmten Zeichenfolge ausspucken —
oder Probe – mit einiger Wahrscheinlichkeit durch Ihre Schaltung
bestimmt.
In Probenahme Problem ist das Ziel, eine Reihe
von Proben zu produzieren, die aussehen, als käme sie aus diesem
Kreislauf. Es ist wie eine Münze zu zeigen, dass es 50 Prozent Kopf und
50 Prozent-Zahl (im Durchschnitt) kommen wird immer wieder zu werfen.
Außer hier, nicht das Ergebnis von jedem "Toss" einen Einzelwert-Kopf
oder Zahl – es ist eine Kette von vielen Werten, von denen jeder durch
einige (oder sogar alle) der anderen Werte beeinflusst werden kann.
Diese Übung ist für eine gut geölte
Quantencomputer ein Kinderspiel. Es ist was es natürlich nicht. Auf der
anderen Seite scheinen die klassischen Computern eine härtere Zeit
haben. Unter den schlimmsten Umständen müssen sie machen, die
unhandliche Arbeit von Wahrscheinlichkeiten für alle möglichen
Ausgabezeichenfolgen computing – alle 2100 von ihnen – und wählen Sie
dann nach dem Zufallsprinzip Proben von dieser Verteilung. "Menschen
immer vermutet, dass dies der Fall war" besonders für sehr komplexe
Quanten Schaltungen, sagte Ashley Montanaro, Experte für
Quantenalgorithmen an der University of Bristol.
Terhal und DiVincenzo hat gezeigt, dass sogar
einige einfache Quanten-Schaltungen noch harte Probe mit klassischen
Mitteln sein sollte. Daher wurde eine Bar eingerichtet. Wenn
Experimentatoren ein Quantensystem ausspucken diese Proben bekommen
könnte, würden sie haben guten Grund zu glauben, dass sie etwas
klassisch unvergleichlich getan hatten.