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Google und NASA erreichen Quantenüberlegenheit
NASA Ames
Okt. 23, 2019
Google und NASA erreichen Quantenüberlegenheit
Google hat in Zusammenarbeit mit der NASA und dem Oak Ridge National
Laboratory die Fähigkeit demonstriert, in Sekundenschnelle zu berechnen, was
selbst die größten und fortschrittlichsten Supercomputer Tausende von Jahren
brauchen würde, und einen Meilenstein zu erreichen, der als
Quantenüberlegenheit bekannt ist.
"Quantum Computing steckt noch in den Kinderschuhen, aber diese
transformative Leistung treibt uns voran", sagte Eugene Tu, Center Director
am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. "Unsere
Missionen in den kommenden Jahrzehnten zum Mond, zum Mars und darüber hinaus
werden alle von Innovationen wie dieser befeuert."
Quantencomputer ist die Studie, wie man die einzigartigen Eigenschaften der
Quantenmechanik nutzen kann, um bestimmte Arten von Problemen viel schneller
zu lösen als auf herkömmlichen Computern. Potenziell könnte die NASA eines
Tages diese Techniken zur Unterstützung von Weltraummissionen verwenden,
wobei die Quantenoptimierung die Missionspläne effizienter macht und
Quantensimulationen das Design von leichten und robusten Materialien für
moderne Raumfahrzeuge unterstützen – um nur einige zu nennen. Anwendungen.
Dieser Meilenstein ist der erste Schritt in diese Zukunft.
"Die Quantenüberlegenheit bedeutet, dass wir eine Sache schneller machen
konnten, nicht alles schneller", sagte Eleanor Rieffel, Co-Autorin des
Papiers zu diesem Ergebnis, das heute in Nature veröffentlicht wurde, und
der Leiterin des Quantum Artificial Intelligence Laboratory in Ames. "Und
auch wenn diese eine Sache nicht furchtbar nützlich ist, dass es überhaupt
getan wurde, ist bahnbrechend."
Das Papier beschreibt die Experimente von Googles Sycamore Quantenprozessor,
um Quantenüberlegenheit zu demonstrieren. Berechnungen auf einem
Quantencomputer werden als "Quantenschaltungen" bezeichnet. Diese
Informatik-Abstraktionen funktionieren wie Programme und geben eine Reihe
von Operationen für den Quantenprozessor an, der ausgeführt werden soll.
Der Test selbst beinhaltete das Ausführen zufälliger Quantenschaltungen auf
Quantenprozessoren sowie traditionellen Supercomputern. Ergebnisse aus einem
zufälligen Quantenkreislauf zu erhalten ist ohne Quantenprozessor schwierig,
und die Theorie legt nahe, dass es für Aufgaben jenseits einer bestimmten
Größe unmöglich sein könnte, selbst auf dem größten erdenklichen
Supercomputer. Sie bräuchten mehr Dateneinheiten als Atome im Universum. Das
ist so nah wie möglich an eine unmögliche Aufgabe – was sie zum perfekten
Test für die Quantenüberlegenheit macht.
Sowohl der Quantenprozessor als auch der Supercomputer erhielten immer
komplexere und zufällige Schaltkreise, bis der Supercomputer nicht in der
Lage war, sie zu verarbeiten. Um diese Grenze zu finden, entwickelten
Forscher von Ames Techniken zur Simulation dieser zufälligen
Quantenkreisberechnungen mithilfe der Supercomputing-Einrichtungen der NASA.
An einem bestimmten Punkt, selbst mit all den Tricks, die
NASA-Quantencomputer- und Supercomputing-Experten auf sie warfen, war dieser
simulierte "Computer innerhalb eines Computers" nicht in der Lage, die
zufälligen Schaltkreise zu handhaben, die ihm gegeben wurden – und das wurde
die Messlatte für Googles Quantencomputer, um Schlagen.
Electra, der leistungsstarke modulare Supercomputer der NASA, wurde auch in
dieser Zusammenarbeit mit Google eingesetzt. Es ist ein Petascale
Supercomputer, der erhebliche Mengen an Wasser und Strom jährlich spart.
Googles Quantencomputer war in der Lage, diese zufälligen Schaltkreise zu
nehmen und Ergebnisse zu erzielen, um diesen Maßstab zu erreichen. Aber wie
sollte jemand wissen, ob dieser Ausgang richtig war und ob die
Quantenüberlegenheit wirklich erreicht worden war? Es ist unmöglich, einen
traditionellen Supercomputer zu verwenden, um die Mathematik zu überprüfen –
der ganze Punkt dieses Meilensteins ist, dass ein Quantenprozessor etwas
getan hat, was keine andere Maschine tun kann.
Um sicherzustellen, dass dieser Meilenstein tatsächlich erreicht wurde,
wandten sich NASA und Google an das Oak Ridge National Laboratory in Oak
Ridge, Tennessee, der Heimat von Summit – dem mächtigsten Supercomputer der
Welt. Dort testeten sie, ob die Ergebnisse des Quantencomputers mit den
Ergebnissen von Summit bis an die Quantenüberlegenheitsgrenze
übereinstimmten – und fanden heraus, dass sie dies taten.
"Seit 2013 hat unsere Zusammenarbeit mit Google daran gearbeitet, die
Möglichkeiten des Rechnens in der Quantenwelt weiter zu entmystifizieren",
sagte Rupak Biswas, Direktor der Exploration Technology Directorate bei Ames
und Co-Autor des Papiers. "Die heutige Errungenschaft der
Quantenüberlegenheit ist ein spannender Meilenstein, auf den Ames sehr stolz
ist."
Entwirren der Quantenwelt
Ein "Quantum" ist die minimale Menge an physikalischen Dingen, die benötigt
werden, um mit etwas anderem zu interagieren, in der Regel bezieht sich auf
die kleinsten Einheiten von Energie oder Materie. Die Quantenwelt ist ein
seltsamer und schöner Teil der Natur, der für uns unsichtbar ist. Selbst
wenn man weit über die Größe einer Ameise bis hin zu subatomaren Größen
schrumpfen könnte, ändert schon der Akt, etwas auf der Quantenskala zu
beobachten, sein Verhalten. Trotz der Schwerfass-Beobachtung ist die
Mathematik hinter der Funktionsweise der Quantenmechanik gut verstanden und
konsistent, auch wenn wir nicht verstehen, warum.
Aufgrund dieser Konsistenz können Informatiker, Physiker und Ingenieure
Computer erstellen, die diese einzigartigen Eigenschaften nutzen sollen.
Etwas, das als Quantenüberlagerung bezeichnet wird, ermöglicht es, dass ein
einzelnes Qubit – eine Dateneinheit in einem Quantencomputer – als
verschiedene Mengen gleichzeitig existiert. Quantenverflechtung ist eine
weitere Eigenschaft, die untrennbar zwei Teilchen verbindet, unabhängig von
der Entfernung, was Korrelationen bietet, die in der Welt der klassischen
Mechanik unmöglich zu finden sind. Es ist, als ob die beiden Teilchen
synchron tanzen, ob sie nun an der Hüfte oder Lichtjahre entfernt verbunden
sind. Quantencomputer können diese Korrelationen verwenden, um Informationen
auf herkömmliche Nutzdaten zu speichern, zu übertragen und zu berechnen.
Das Erreichen der Quantenüberlegenheit eröffnet die Fähigkeit,
Quantenverarbeitungstechnologie zu experimentieren und zu entwickeln – vor
allem wegen des beispiellosen Grades an Kontrolle über die
Quantenoperationen, die in Googles Hardware möglich sind.
Die Erreichung der Quantenüberlegenheit bedeutet, dass die Rechenleistung
und die Kontrollmechanismen jetzt für Wissenschaftler existieren, um ihren
Code mit Zuversicht auszuführen und zu sehen, was über die Grenzen dessen
hinaus geschieht, was auf Supercomputern getan werden könnte.
Experimentieren mit Quantencomputern ist heute in einer Art und Weise
möglich, wie es noch nie zuvor war.
"Als ich 1996 dieses Feld betrat, war ich mir nicht sicher, ob ich bis zu
diesem Punkt am Leben sein würde", sagte Rieffel. "Jetzt können wir mit
Quantenalgorithmen herumspielen, die wir vorher nicht ausführen konnten. Es
gibt all diese Unbekannten im Quantencomputer, und es ist einfach
unglaublich spannend, in die Ära einzutreten, in der wir diese Unbekannten
erforschen und sehen können, was wir finden."
Das Quantum Artificial Intelligence Lab der NASA, bekannt als QuAIL, wird
von Ames über das Air Force Research Lab Information Directorate und die
NASA Advanced Exploration Systems Division unterstützt. Die NASA Advanced
Supercomputing Division ist Teil des Exploration Technology Directorate in
Ames und betreibt das High-End Computing Capability Project der NASA, das
vom High-End Computing Program der NASA betreut und vom Science Mission
Directorate der NASA verwaltet wird.
Für Nachrichtenmedien:
Für weitere Informationen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an den NASA
Ames Newsroom.
Bannerbild: Der Plejaden-Supercomputer bei NASA Ames ist einer der vielen
Supercomputer, die verwendet werden, um die Grenze der Quantenüberlegenheit
zu finden. Kredit: NASA/Ames Research Center/Dominic Hart
Autor: Frank Tavares, Ames Research Center der NASA
Zuletzt aktualisiert: Nov. 14, 2019
Herausgeber: Frank Tavares
https://www.nasa.gov/feature/ames/quantum-supremacy