Seriöse Quantencomputer sind endlich da. Was machen wir mit ihnen?

Jeremy Liebmann

In einem kleinen Labor in üppiger Landschaft, etwa 50 Meilen nördlich von New York City, baumelt ein kunstvolles Gewirr aus Röhren und Elektronik von der Decke. Dieses Durcheinander von Geräten ist ein Computer. Nicht irgendein Computer, sondern einer, der kurz davor steht, das zu passieren, was vielleicht als einer der wichtigsten Meilensteine ​​​​in die Geschichte des Feldes eingehen könnte.

Quantencomputer versprechen, Berechnungen durchzuführen, die weit über die Reichweite herkömmlicher Supercomputer hinausgehen. Sie könnten die Entdeckung neuer Materialien revolutionieren, indem sie es ermöglichen, das Verhalten von Materie bis auf atomare Ebene zu simulieren. Oder sie könnten Kryptographie und Sicherheit auf den Kopf stellen, indem sie ansonsten unbesiegbare Codes knacken. Es besteht sogar die Hoffnung, dass sie die künstliche Intelligenz übertreffen, indem sie Daten effizienter verarbeiten.



10 Durchbruchtechnologien 2018

Diese Geschichte war Teil unserer März-Ausgabe 2018

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Doch erst jetzt, nach Jahrzehnten des schrittweisen Fortschritts, sind Forscher endlich kurz davor, Quantencomputer zu bauen, die leistungsfähig genug sind, um Dinge zu tun, die herkömmliche Computer nicht können. Es ist ein Meilenstein, der etwas theatralisch als Quantenüberlegenheit bezeichnet wird. Google hat den Weg zu diesem Meilenstein angeführt, während Intel und Microsoft ebenfalls erhebliche Quantenanstrengungen unternehmen. Und dann gibt es gut finanzierte Startups wie Rigetti Computing, IonQ und Quantum Circuits.

Die Natur ist quantenhaft, verdammt noch mal! Wenn wir es also simulieren wollen, brauchen wir einen Quantencomputer.

Kein anderer Konkurrent kann jedoch in diesem Bereich mit dem Stammbaum von IBM mithalten. Vor 50 Jahren brachte das Unternehmen Fortschritte in der Materialwissenschaft hervor, die den Grundstein für die Computerrevolution legten. Aus diesem Grund fand ich mich letzten Oktober im Thomas J. Watson Research Center von IBM wieder, um zu versuchen, diese Fragen zu beantworten: Wozu, wenn überhaupt, wird ein Quantencomputer gut sein? Und lässt sich überhaupt ein praktisches, zuverlässiges bauen?

Warum wir glauben, dass wir einen Quantencomputer brauchen

Das Forschungszentrum in Yorktown Heights sieht ein bisschen aus wie eine fliegende Untertasse, wie man sie sich 1961 vorstellte. Es wurde vom neofuturistischen Architekten Eero Saarinen entworfen und während der Blütezeit von IBM als Hersteller großer Mainframe-Geschäftsmaschinen gebaut. IBM war das größte Computerunternehmen der Welt und innerhalb eines Jahrzehnts nach dem Bau des Forschungszentrums zum fünftgrößten Unternehmen der Welt geworden, gleich hinter Ford und General Electric.

Während die Flure des Gebäudes auf die Landschaft blicken, ist das Design so gestaltet, dass keines der Büros im Inneren über Fenster verfügt. In einem dieser abgelegenen Räume traf ich Charles Bennett. Jetzt in seinen 70ern hat er große weiße Koteletten, trägt schwarze Socken mit Sandalen und trägt sogar einen Taschenschutz mit Stiften darin. Umgeben von alten Computermonitoren, Chemiemodellen und kurioserweise einer kleinen Discokugel erinnerte er sich an die Geburtsstunde des Quantencomputings, als wäre es gestern gewesen.

Charles Bennett von IBM Research ist einer der Gründerväter der Quanteninformationstheorie. Seine Arbeit bei IBM trug dazu bei, eine theoretische Grundlage für Quantencomputing zu schaffen. Bartek Sadowski

Als Bennett 1972 zu IBM kam, war die Quantenphysik bereits ein halbes Jahrhundert alt, aber die Computertechnik stützte sich immer noch auf die klassische Physik und die mathematische Informationstheorie, die Claude Shannon in den 1950er Jahren am MIT entwickelt hatte. Es war Shannon, der die Informationsmenge anhand der Anzahl der Bits (ein Begriff, den er populär machte, aber nicht prägte) definierte, die zum Speichern erforderlich sind. Diese Bits, die 0 s und eins s des Binärcodes sind die Grundlage aller herkömmlichen Computer.

Ein Jahr nach seiner Ankunft in Yorktown Heights half Bennett dabei, den Grundstein für eine Quanteninformationstheorie zu legen, die all das in Frage stellen würde. Es beruht auf der Ausnutzung des besonderen Verhaltens von Objekten auf atomarer Ebene. Bei dieser Größe kann ein Partikel gleichzeitig in vielen Zuständen (z. B. vielen verschiedenen Positionen) überlagert existieren. Zwei Teilchen können auch verschränkt sein, sodass eine Zustandsänderung des einen augenblicklich das andere beeinflussen kann.

Bennett und andere erkannten, dass einige Arten von Berechnungen, die exponentiell zeitaufwändig oder sogar unmöglich sind, mit Hilfe von Quantenphänomenen effizient durchgeführt werden könnten. Ein Quantencomputer würde Informationen in Quantenbits oder Qubits speichern. Qubits können in Überlagerungen von existieren eins und 0 , und Verschränkung und ein Trick namens Interferenz können verwendet werden, um die Lösung für eine Berechnung über eine exponentiell große Anzahl von Zuständen zu finden. Es ist ärgerlich, Quanten- und klassische Computer zu vergleichen, aber grob gesagt könnte ein Quantencomputer mit nur wenigen hundert Qubits mehr Berechnungen gleichzeitig durchführen, als es Atome im bekannten Universum gibt.

Im Sommer 1981 organisierten IBM und MIT eine wegweisende Veranstaltung namens First Conference on the Physics of Computation. Es fand im Endicott House statt, einem Herrenhaus im französischen Stil unweit des MIT-Campus.

Auf einem Foto, das Bennett während der Konferenz aufgenommen hat, sind einige der einflussreichsten Persönlichkeiten aus der Geschichte der Computer- und Quantenphysik auf dem Rasen zu sehen, darunter Konrad Zuse, der den ersten programmierbaren Computer entwickelte, und Richard Feynman, ein wichtiger Mitwirkender Quantentheorie. Feynman hielt die Grundsatzrede der Konferenz, in der er die Idee des Rechnens mit Quanteneffekten aufwarf. Den größten Schub bekam die Quanteninformationstheorie von Feynman, sagte mir Bennett. Er sagte: „Die Natur ist quantenhaft, verdammt noch mal! Wenn wir es also simulieren wollen, brauchen wir einen Quantencomputer.“

Der Quantencomputer von IBM – einer der vielversprechendsten, den es gibt – befindet sich direkt am Ende des Flurs von Bennetts Büro. Die Maschine wurde entwickelt, um das wesentliche Element in einem Quantencomputer zu erstellen und zu manipulieren: die Qubits, die Informationen speichern.

Dieses Labor bei IBM beherbergt Quantenmaschinen, die mit der Cloud verbunden sind. Jeremy Liebmann

Die Kluft zwischen Traum und Wirklichkeit


Die IBM-Maschine nutzt Quantenphänomene, die in supraleitenden Materialien auftreten. Beispielsweise fließt manchmal Strom gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn. Der Computer von IBM verwendet supraleitende Schaltkreise, in denen zwei unterschiedliche elektromagnetische Energiezustände ein Qubit bilden.

Der supraleitende Ansatz hat entscheidende Vorteile. Die Hardware kann unter Verwendung etablierter Herstellungsverfahren hergestellt werden, und ein herkömmlicher Computer kann verwendet werden, um das System zu steuern. Die Qubits in einem supraleitenden Schaltkreis sind außerdem einfacher zu manipulieren und weniger empfindlich als einzelne Photonen oder Ionen.

Im Quantenlabor von IBM arbeiten Ingenieure an einer Version des Computers mit 50 Qubits. Sie können eine Simulation eines einfachen Quantencomputers auf einem normalen Computer ausführen, aber bei etwa 50 Qubits wird es fast unmöglich. Damit nähert sich IBM theoretisch dem Punkt, an dem ein Quantencomputer Probleme lösen kann, die ein klassischer Computer nicht lösen kann: mit anderen Worten der Quantenüberlegenheit.

Aber wie die Forscher von IBM Ihnen sagen werden, ist die Quantenüberlegenheit ein schwer fassbares Konzept. Sie würden alle 50 Qubits benötigen, um perfekt zu funktionieren, während Quantencomputer in Wirklichkeit mit Fehlern behaftet sind, die korrigiert werden müssen. Es ist auch teuflisch schwierig, Qubits für längere Zeit zu warten; sie neigen dazu, sich aufzulösen oder ihre empfindliche Quantennatur zu verlieren, ähnlich wie ein Rauchring beim geringsten Luftzug aufbricht. Und je mehr Qubits, desto schwieriger werden beide Herausforderungen.

Wenn Sie 50 oder 100 Qubits hätten und sie wirklich gut genug funktionierten und vollständig fehlerkorrigiert wären, könnten Sie unergründliche Berechnungen durchführen, die weder jetzt noch jemals auf einer klassischen Maschine repliziert werden können, sagt Robert Schoelkopf, Yale-Professor und Gründer einer Firma namens Quantum Circuits. Die Kehrseite des Quantencomputers ist, dass es exponentielle Möglichkeiten gibt, Fehler zu machen.

Die Chips in IBMs Quantencomputer (unten) werden auf 15 Millikelvin gekühlt. Jeremy Liebmann

Ein weiterer Grund zur Vorsicht ist, dass es nicht offensichtlich ist, wie nützlich selbst ein perfekt funktionierender Quantencomputer wäre. Es beschleunigt nicht einfach jede Aufgabe, die Sie darauf werfen; Tatsächlich wäre es für viele Berechnungen tatsächlich langsamer als klassische Maschinen. Bisher wurden nur eine Handvoll Algorithmen entwickelt, bei denen ein Quantencomputer eindeutig im Vorteil wäre. Und selbst für diese könnte dieser Vorsprung nur von kurzer Dauer sein. Der bekannteste Quantenalgorithmus, der von Peter Shor am MIT entwickelt wurde, dient dazu, die Primfaktoren einer ganzen Zahl zu finden. Viele gängige kryptografische Schemata beruhen auf der Tatsache, dass dies für einen herkömmlichen Computer schwierig ist. Aber die Kryptografie könnte sich anpassen und neue Arten von Codes schaffen, die nicht auf Faktorisierung angewiesen sind.

Was den Hype antreibt, ist die Erkenntnis, dass Quantencomputing tatsächlich real ist. Es ist nicht mehr der Traum eines Physikers – es ist der Albtraum eines Ingenieurs.

Aus diesem Grund sind IBMs eigene Forscher, selbst wenn sie sich dem 50-Qubit-Meilenstein nähern, daran interessiert, den Hype darum zu zerstreuen. An einem Tisch im Flur mit Blick auf den üppigen Rasen draußen begegnete ich Jay Gambetta, einem großen, gelassenen Australier, der an Quantenalgorithmen und möglichen Anwendungen für IBMs Hardware forscht. Wir befinden uns in dieser einzigartigen Phase, sagte er und wählte seine Worte mit Bedacht. Wir haben dieses Gerät, das komplizierter ist, als Sie es auf einem klassischen Computer simulieren können, aber es ist noch nicht mit der Präzision steuerbar, mit der Sie die Algorithmen ausführen könnten, die Sie kennen.

Was die IBMer hoffen lässt, ist, dass selbst ein unvollkommener Quantencomputer noch ein nützlicher sein könnte.

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Gambetta und andere Forscher haben sich auf eine Anwendung konzentriert, die Feynman bereits 1981 vorschwebte. Chemische Reaktionen und die Eigenschaften von Materialien werden durch die Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen bestimmt. Diese Wechselwirkungen werden von Quantenphänomenen bestimmt. Ein Quantencomputer kann diese – zumindest theoretisch – so modellieren, wie es ein herkömmlicher nicht kann.

Im vergangenen Jahr verwendeten Gambetta und Kollegen bei IBM eine Sieben-Qubit-Maschine, um die genaue Struktur von Berylliumhydrid zu simulieren. Mit nur drei Atomen ist es das komplexeste Molekül, das jemals mit einem Quantensystem modelliert wurde. Letztendlich könnten Forscher Quantencomputer verwenden, um effizientere Solarzellen, wirksamere Medikamente oder Katalysatoren zu entwickeln, die Sonnenlicht in saubere Kraftstoffe umwandeln.

Von diesen Zielen ist man weit entfernt. Aber, so Gambetta, es könnte möglich sein, wertvolle Ergebnisse von einer fehleranfälligen Quantenmaschine zu erhalten, die mit einem klassischen Computer gekoppelt ist.

Vom Traum eines Physikers zum Alptraum eines Ingenieurs


Was den Hype antreibt, ist die Erkenntnis, dass Quantencomputer tatsächlich real sind, sagt Isaac Chuang, ein schlanker, leiser MIT-Professor. Es ist nicht mehr der Traum eines Physikers – es ist der Albtraum eines Ingenieurs.

Chuang leitete die Entwicklung einiger der frühesten Quantencomputer und arbeitete Ende der 1990er und Anfang der 2000er Jahre bei IBM in Almaden, Kalifornien. Obwohl er nicht mehr daran arbeitet, glaubt er, dass wir am Anfang von etwas sehr Großem stehen – dass Quantencomputing irgendwann sogar eine Rolle in der künstlichen Intelligenz spielen wird.

Er vermutet aber auch, dass die Revolution erst richtig beginnen wird, wenn eine neue Generation von Studenten und Hackern mit praktischen Maschinen spielen darf. Quantencomputer erfordern nicht nur andere Programmiersprachen, sondern auch eine grundlegend andere Denkweise darüber, was Programmierung ist. Wie Gambetta es ausdrückt: Wir wissen nicht wirklich, was das Äquivalent zu „Hallo Welt“ auf einem Quantencomputer ist.

Wir fangen an, es herauszufinden. 2016 hat IBM einen kleinen Quantencomputer mit der Cloud verbunden. Mit einem Programmier-Toolkit namens QISKit können Sie darauf einfache Programme ausführen; Tausende von Menschen, von akademischen Forschern bis hin zu Schulkindern, haben QISKit-Programme entwickelt, die grundlegende Quantenalgorithmen ausführen. Jetzt stellen auch Google und andere Unternehmen ihre im Entstehen begriffenen Quantencomputer online. Mit ihnen kann man nicht viel anfangen, aber zumindest geben sie Leuten außerhalb der führenden Labors einen Vorgeschmack auf das, was kommen könnte.

Auch die Startup-Community ist gespannt. Kurz nachdem ich den Quantencomputer von IBM gesehen hatte, ging ich zur Business School der University of Toronto, um an einem Pitch-Wettbewerb für Quanten-Startups teilzunehmen. Teams von Unternehmern standen nervös auf und präsentierten ihre Ideen einer Gruppe von Professoren und Investoren. Ein Unternehmen hoffte, mit Quantencomputern die Finanzmärkte modellieren zu können. Ein anderer plante, sie neue Proteine ​​entwerfen zu lassen. Ein anderer wollte fortschrittlichere KI-Systeme bauen. Was im Raum nicht anerkannt wurde, war, dass jedes Team ein Unternehmen vorschlug, das auf einer Technologie aufbaut, die so revolutionär ist, dass sie kaum existiert. Nur wenige schienen von dieser Tatsache eingeschüchtert zu sein.

Diese Begeisterung könnte sauer werden, wenn die ersten Quantencomputer nur langsam eine praktische Anwendung finden. Die beste Vermutung von denen, die die Schwierigkeiten wirklich kennen – Leute wie Bennett und Chuang – ist, dass die ersten brauchbaren Maschinen noch einige Jahre entfernt sind. Und das setzt voraus, dass sich das Problem der Verwaltung und Manipulation einer großen Sammlung von Qubits letztendlich nicht als unlösbar erweisen wird.

Dennoch hegen die Experten Hoffnung. Als ich ihn fragte, wie die Welt aussehen könnte, wenn mein zweijähriger Sohn aufwächst, antwortete Chuang, der den Umgang mit Computern lernte, indem er mit Mikrochips spielte, mit einem Grinsen. Vielleicht hat Ihr Kind einen Bausatz zum Bau eines Quantencomputers, sagte er.

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