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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