Quantenlauf

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Selbstreparierende Quantencomputer: Fehlerfrei und fehlertolerant

Forscher suchen nach Möglichkeiten, Quantensysteme zu schaffen, die fehlerfrei und fehlertolerant sind, um die nächste Generation von Technologien aufzubauen.

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Quantumrun-Vorausschau
14. Februar 2023

Zusammenfassung der Einblicke

Quantencomputing stellt einen Paradigmenwechsel in der Computerverarbeitung dar. Diese Systeme haben das Potenzial, komplexe Berechnungen in wenigen Minuten zu lösen, für deren Bewältigung klassische Computer Jahre, manchmal Jahrhunderte benötigen würden. Der erste Schritt, um das volle Potenzial der Quantentechnologien auszuschöpfen, besteht jedoch darin, sicherzustellen, dass sie ihre Ergebnisse selbst reparieren können.

Selbstreparierender Quantencomputing-Kontext

Im Jahr 2019 konnte der Google Sycamore-Chip mit 54 Qubits eine Berechnung in 200 Sekunden durchführen, für die ein klassischer Computer normalerweise 10,000 Jahre brauchen würde. Diese Errungenschaft war der Auslöser für die Quantenüberlegenheit von Google und wurde weltweit als großer Durchbruch im Quantencomputing anerkannt. Dies hat in der Folge weitere Forschungen und Fortschritte auf diesem Gebiet hervorgebracht.

Im Jahr 2021 machte Sycamore einen weiteren Schritt nach vorne, indem es bewies, dass es Rechenfehler beheben kann. Der Prozess selbst führte jedoch später zu neuen Fehlern. Ein übliches Problem beim Quantencomputing besteht darin, dass die Genauigkeit ihrer Berechnungen im Vergleich zu klassischen Systemen immer noch unzureichend ist.

Computer, die Bits (Binärziffern, die kleinste Einheit von Computerdaten) mit zwei möglichen Zuständen (0 und 1) zum Speichern von Daten verwenden, sind standardmäßig mit einer Fehlerkorrektur ausgestattet. Wenn ein Bit 0 statt 1 wird oder umgekehrt, kann ein solcher Fehler erkannt und korrigiert werden.

Die Herausforderung beim Quantencomputing ist komplexer, da jedes Quantenbit oder Qubit gleichzeitig in einem Zustand von 0 und 1 existiert. Wenn Sie versuchen, ihren Wert zu messen, gehen die Daten verloren. Eine seit langem bestehende mögliche Lösung besteht darin, viele physikalische Qubits in einem „logischen Qubit“ (Qubits, die durch Quantenalgorithmen gesteuert werden) zusammenzufassen. Auch wenn es schon früher logische Qubits gab, wurden sie nicht zur Fehlerkorrektur eingesetzt.

Störende Wirkung

Mehrere Forschungseinrichtungen und KI-Labore haben untersucht, wie man logische Qubits herstellen kann, die sich selbst korrigieren können. Beispielsweise haben die US-amerikanische Duke University und das Joint Quantum Institute im Jahr 2021 ein logisches Qubit entwickelt, das als eine einzige Einheit funktioniert. Indem es auf einem Quantenfehlerkorrekturcode basiert, können Fehler leichter erkannt und korrigiert werden. Darüber hinaus hat das Team das Qubit fehlertolerant gemacht, um etwaige negative Auswirkungen dieser Fehler einzudämmen. Dieses Ergebnis war das erste Mal, dass sich ein logisches Qubit als zuverlässiger erwies als jeder andere erforderliche Schritt bei seiner Entstehung.

Mithilfe des Ionenfallensystems der University of Maryland konnte das Team bis zu 32 einzelne Atome mit Lasern kühlen, bevor sie über Elektroden auf einem Chip suspendiert wurden. Durch die Manipulation jedes Atoms mit Lasern konnten sie es als Qubit verwenden. Die Forscher haben gezeigt, dass innovative Designs das Quantencomputing eines Tages von seinem derzeitigen Fehlerzustand befreien könnten. Fehlertolerante logische Qubits können die Mängel moderner Qubits umgehen und könnten das Rückgrat zuverlässiger Quantencomputer für reale Anwendungen bilden.

Ohne sich selbst korrigierende oder reparierende Quantencomputer wäre es unmöglich, Systeme der künstlichen Intelligenz (KI) zu entwickeln, die genau, transparent und ethisch sind. Diese Algorithmen erfordern große Datenmengen und Rechenleistung, um ihr Potenzial auszuschöpfen, einschließlich der Herstellung autonomer Fahrzeuge und digitaler Zwillinge, die Geräte für das Internet der Dinge (IoT) unterstützen können.

Auswirkungen des selbstreparierenden Quantencomputings

Weitere Auswirkungen von Investitionen in selbstreparierendes Quantencomputing könnten sein:

Entwicklung von Quantensystemen, die größere Datenmengen verarbeiten und gleichzeitig Fehler in Echtzeit erkennen können.
Forscher entwickeln autonome Quantensysteme, die sich nicht nur selbst reparieren, sondern auch selbst testen können.
Erhöhte Mittel für die Quantenforschung und die Entwicklung von Mikrochips, um Computer zu schaffen, die Milliarden von Informationen verarbeiten können, aber weniger Energie benötigen.
Quantencomputer, die komplexere Prozesse zuverlässig unterstützen können, darunter Verkehrsnetze und vollautomatische Fabriken.
Die vollständige industrielle Anwendung des Quantencomputings in allen Sektoren. Dieses Szenario wird erst möglich, wenn Unternehmen genug Vertrauen in die Genauigkeit der Quantencomputing-Ergebnisse haben, um die Entscheidungsfindung zu leiten oder hochwertige Systeme zu betreiben.