Nach rund 55 Jahren des Mooreschen Gesetzes, benannt nach Intel-Mitbegründer Gordon Moore, sind Prozessoren an ihre Grenzen gestoßen und vorherrschende Architekturtechniken sind in Bezug auf die Energieeffizienz an ihre Grenzen gestoßen. „Glücklicherweise kommt Quantencomputing zu einer Zeit, in der das Mooresche Gesetz ausläuft“, sagte Ismail Akhalwaya, Forscher im Afrika-Forschungslabor von IBM, in einem Exklusivinterview mit LaComparacion Middle East. „Das Mooresche Gesetz zielt darauf ab, die Anzahl der Transistoren auf einem Chip alle zwei Jahre zu verdoppeln, und dieser Trend ist bereits vorbei. Bei Quantenbits handelt es sich jedoch um eine völlig neue Art von Rechenregime und es handelt sich nicht nur um das Mooresche Gesetz“, sagte er.
Was ist ein Quantenbit oder ein Qubit?
In einem typischen Computer können Daten jederzeit in einem exklusiven Binärzustand verarbeitet werden, entweder 0 (deaktiviert) oder 1 (aktiviert), aber beim Quantencomputing können sie im bidirektionalen Modus arbeiten, was eine Überlagerung von 0 und bedeuten kann 1 durch ein Quantenbit oder Qubit. Qubits können sich gleichzeitig in mehreren Grundzuständen befinden, was als Quantenüberlagerung bekannt ist. Während sich also ein Qubit in einer Überlagerung von zwei Zuständen befinden kann, können sich zehn Qubits unter Ausnutzung der Verschränkung in einer Überlagerung von 1024 Zuständen befinden. Dieses Phänomen führt zu einem exponentiellen Wachstum der möglichen darstellbaren Zustände in Bezug auf die Anzahl der Qubits.Verdoppelung des Quantenvolumens
Akhalwaya sagte, IBM sei an vorderster Front dabei, das Mooresche Gesetz so lange wie möglich zu erfüllen, aber die Welt brauche eine zunehmende Rechenleistung. „Mit unseren Quantencomputern haben wir das Quantenvolumen drei Jahre lang jedes Jahr verdoppelt. Die Herausforderung besteht darin, das Rauschen (Umwelteinfluss) zu reduzieren. Jedes Mal, wenn wir ein zusätzliches Qubit hinzufügen, verdoppeln wir die Leistung, aber wir erhöhen auch das Rauschen.“ " er sagte. Akhalwaya machte deutlich, dass es zwei Gesetze gab. Laut Google ist das Gesetz als Neven-Gesetz bekannt, benannt nach Hartmut Neven, Direktor des Quantum Artificial Intelligence Laboratory, und besagt, dass die Quantenrechenleistung im Vergleich zum klassischen Rechnen doppelt exponentiell wachsen sollte. Laut IBM heißt es Gambetta's Law, benannt nach seinem Mitarbeiter Jay Gambetta, der sagt: „Wir scheinen auf dem Weg zu sein, das Quantenvolumen jedes Jahr zu verdoppeln, und wenn wir so weitermachen, sollten wir in den 2020er Jahren einen Quantenvorteil erlangen.“ IBM hat kürzlich den größten Cloud-Quantencomputer, 53 Qubits, eingeführt und steht seinen mehr als 80 Q-Network-Kunden zur Verfügung, darunter Wells Fargo, das sich letzte Woche angeschlossen hat. „Wir haben stetige Fortschritte gemacht und einer der besten Indikatoren für den Erfolg ist das, was wir Quantenvolumen nennen.“ Dies ist ein gutes Maß, um nicht nur die zunehmende Zahl der Qubits zu zeigen, sondern auch, dass auch die Qualität der Qubits zunimmt. „Wir haben das Quantenvolumen verdoppelt“, sagte er. Beim Quantenvolumen seien nicht nur die Qubits von Bedeutung, fügte er hinzu und fügte hinzu, dass es auch darauf ankomme, wie Rauschen in die Qubits gelangt. In einem Quantencomputer sei das Rauschen also infiltriert, sagte er und zerstört die Qubits. „Das Quantenvolumen ist also die größte Anzahl von Qubits mal der längsten Zeit, die vergehen kann, bevor Rauschen eintritt.“ Derzeit haben wir ein Quantenvolumen von 16. Aber die Quantenmechanik hat eine seltsame Eigenschaft: „Sie versucht, den Umwelteinfluss zu reduzieren.“ „Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Computer haben wir stabile Bits, sie gehen nicht verloren und die Umwelt hat keinen Einfluss auf die.“ Bits.“ Im Quantenfall stört die Umgebung den empfindlichen Zustand und Informationslecks, was bedeutet, dass der Einfluss der Umgebung Informationen infiltriert und löscht.Fenster der Gelegenheit
„Wann immer Sie eine gute Gelegenheit haben, können Sie sie durch die Behebung von Fehlern erweitern. Wir arbeiten in diese Richtung. Die kommerzielle Implementierung von Quantencomputern ist im Gange, aber bis zur Masseneinführung wird es noch weitere 5 bis 10 Jahre dauern. In der Zwischenzeit sind wir dabei.“ Wir versuchen, neue Anwendungsfälle zu entdecken, und wir arbeiten immer noch angesichts von Lärm“, sagte Akhalwaya. Er sagte beispielsweise, dass ein Kunde sieben Jahre gebraucht habe, um den Grafikprozessor in seinen Arbeitsplatz zu integrieren. Sie können sich also vorstellen, wie lange es dauern wird, Quantencomputing zu integrieren. Quantencomputing hat viele Vorteile. Er fügte hinzu, dass viele Arten von Berechnungen, insbesondere in der Welt der Chemie, erheblich beschleunigt wurden. „Wir können bessere chemische Simulationen erhalten, um das Energieniveau, die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Designermoleküle zu bestimmen. Die Auswirkungen sollten ähnlich sein, wie die Materialwissenschaft unsere Welt bereits verändert hat“, sagte er. „Wenn man eine chemische Reaktion oder chemische Energieniveaus anregt, ist das auf einem herkömmlichen Computer oder einem Supercomputer nicht so präzise. Die Zahlen in der Chemie sind nicht korrekt, weil die Chemie Quantenmechanik beinhaltet“, sagte er. Die Art und Weise, wie sich Elektronen innerhalb von Atomen bewegen und Moleküle zusammenkommen, ist ein quantenmechanischer Prozess, und die Quantenmechanik besteht aus mehreren Schritten.Fenster zur Erweiterungsberechnung
Bei einer chemischen Reaktion könne ein einziges zusätzliches Elektron die Anzahl der möglichen Konfigurationen eines Moleküls verdoppeln, sagte Akhalwaya. Die Möglichkeit, eine chemische Reaktion zu duplizieren, kann mit einem herkömmlichen Computer nicht bewältigt werden. Akhalwaya sagte: „Wir werden Millionen verrauschter Qubits brauchen.“ Um das Berechnungsfenster zu erweitern, können wir „die verrauschten Qubits nehmen und sie verwenden, um ein sauberes Qubit darzustellen, das auf unbestimmte Zeit bestehen kann. Wir brauchen 1,000 verrauschte Qubits, um ein sauberes Qubit zu bauen. Um also Tausende von sauberen Qubits zu bekommen, brauchen wir Millionen von verrauschten.“ Qubits, aber das ist möglich“, sagte er. „Aus klassischer Erfahrung wissen wir, dass bei einem alten Auto jedes Teil ausgetauscht werden muss, man das Auto aber noch eine Weile fahren kann.“ Wenn ein Problem auftritt, ändert man nur diesen Teil“, sagte er. Ebenso können wir mit einem Quantencomputer „Qubits erstellen, die längere Perioden aus Millisekundenstücken berechnen können, was durch Technologie, Mathematik und ein gutes Verständnis der Physik ermöglicht wird.“ „Es macht keinen Sinn, einen Quantencomputer mit 1,000 verrauschten Qubits zu bauen“, sagte er. „Man muss es tun und gleichzeitig das Rauschen reduzieren.“ Diese Qubits basieren auf einem Siliziumsubstrat und dieses Substrat interferiert mit Qubits und die Qubits interferieren mit benachbarten. „Es macht keinen Sinn, die Anzahl der Qubits zu erhöhen, bis wir den Rauschpegel schrittweise reduzieren, aber wir hoffen, das Quantenvolumen, die Reinheit der Qubits und die Anzahl der Qubits auf die gleiche Weise zu verdoppeln, wie Moore es verdoppelt hat“, sagte er. IBM stellt seinen Kunden 14 Quantencomputer zur Verfügung. Akhalwaya sagte, die Mission bestehe darin, das Quantenvolumen jedes Jahr zu erhöhen und mehr Unternehmen und Universitäten einzubeziehen, um neue Anwendungsfälle zu erhalten. „Wir glauben an ein Hybridmodell aus Quanten- und klassischem Computing für die nächsten Jahrzehnte. Wir brauchen konventionelle Computer, um Informationen in Quantencomputer zu laden. Es wird wie eine GPU in einem klassischen Computer sein. Wir nutzen die GPU nur, wenn wir sie brauchen.“ „Wir werden Quantencomputer nur dann einsetzen, wenn wir sie brauchen, etwa eine GPU. Das bedeutet nicht, dass Quantencomputer herkömmliche Computer ersetzen werden“, sagte er.