Google gab kürzlich bekannt, dass ihm mit seinem neuen Quanten-KI-Chip „Willow“ eine Gleichung in 5 Minuten gelöst wurde, für die ein herkömmlicher Computer ein Jahr brauchen würde. Diese Errungenschaft hat in der weltweiten wissenschaftlichen und technologischen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt und auch hitzige Diskussionen über Quantencomputing und seinen Zusammenhang mit der Theorie der Paralleluniversen angeregt. Dieser Artikel befasst sich mit den technischen Details des „Willow“-Chips, der Bedeutung seines Leistungsdurchbruchs und den Kontroversen und Lobpreisungen rund um seine Ergebnisse.
Google gab kürzlich bekannt, dass ihm ein großer Durchbruch auf dem Gebiet des Quantencomputings gelungen sei, der in der globalen Technologie-Community große Aufmerksamkeit erregt habe. Ihr neuester Quanten-KI-Chip löste eine Gleichung, die einen gewöhnlichen Computer erfordern würde, um eine Billion Billionen Jahre (ein Jahr) in nur 5 Minuten ununterbrochen zu arbeiten. Dieser erstaunliche Geschwindigkeitsunterschied reicht aus, um jeden zu schockieren.
Engpässe und Durchbrüche im Quantencomputing
Obwohl Quantencomputing modern und cool klingt, gab es schon lange Probleme mit der Instabilität. Winzige Partikel folgen nicht den Regeln von Alltagsgegenständen und selbst die fortschrittlichsten Chips können aufgrund geringfügiger Störungen ihres fragilen Zustands ausfallen. Forscher versuchen seit Jahrzehnten, diese unberechenbare Natur auszunutzen, wurden jedoch durch die Tatsache behindert, dass sich Fehler zu schnell ansammeln und schwer zu korrigieren sind.
Die Quantenfehlerkorrekturtechnologie bietet eine mögliche Lösung, bringt jedoch ihre eigenen Komplikationen mit sich. Es erfordert die Verteilung von Informationen zwischen mehreren Qubits, den Grundeinheiten von Quantendaten, was in der Theorie einfach ist, in der Praxis jedoch zu einer komplexen Herausforderung wird. Wenn zu viele Qubits beteiligt sind, wird es schwierig, die Fehlerrate unter einem bestimmten kritischen Schwellenwert zu halten.
Bis vor kurzem konnte niemand nachweisen, dass die Fehlerraten durch speziell auf Skalierung ausgelegten Code unter einen kritischen Punkt gesenkt werden können. Die neue Quantenchip-Architektur von Google ändert das.
Die erstaunliche Leistung der „Willow“-Chips
Der Quantenwissenschaftler Hartmut Neven, Gründer des Quantum AI Lab von Google, bezeichnete die Leistung des Willow-Chips als „erstaunlich“. Die Ergebnisse seiner Hochgeschwindigkeitsberechnungen „stützen die Idee, dass Quantencomputer in vielen Paralleluniversen vorkommen“, fügte er hinzu. In dem Artikel wurde auch der Physiker David Deutsch von der Universität Oxford erwähnt, der die Theorie aufstellte, dass die erfolgreiche Entwicklung von Quantencomputern die „Viele-Welten-Interpretation“ der Quantenmechanik und die Existenz eines Multiversums unterstützen könnte.
Deutsch ist seit den 1970er Jahren ein Pionier des Quantencomputings. Der Zweck seiner Forschung zum Quantencomputing besteht vielmehr darin, seine Multiversumstheorie zu überprüfen.
Das Konzept der Paralleluniversen
Paralleluniversen, auch Alternativuniversen oder Mehrfachuniversen genannt, beziehen sich auf die Möglichkeit, dass neben unserer Realität noch andere Realitäten existieren. Stellen Sie sich vor, dass unser Universum nur eine Blase in einer riesigen kosmischen Blase ist, wobei jede Blase ein anderes Universum mit ihren eigenen einzigartigen Gesetzen der Physik, Geschichte und sogar unterschiedlichen Versionen von uns selbst ist.
Wissenschaftler erforschen dieses Konzept anhand von Theorien wie dem Multiversum, die darauf hindeuten, dass unzählige andere Universen existieren könnten, jedes mit seinen eigenen Möglichkeiten. Auch wenn wir noch keine greifbaren Beweise für Paralleluniversen gefunden haben, löst die Idee interessante Diskussionen über die Natur der Realität und darüber aus, was jenseits dessen liegt, was wir derzeit sehen und verstehen.
Kontroverse und Lob existieren nebeneinander
Der Astrophysiker und Autor Ethan Siegel ist jedoch anderer Meinung als Google. Er warf Google vor, „nicht verwandte Konzepte zu verwechseln, und Nevin hätte das wissen müssen.“
Siegel erklärte, dass Nevin den mathematischen Raum, in dem die Quantenmechanik stattfindet, mit den Konzepten von Paralleluniversen und Multiversen verwechselte. Laut Siegel werden Quantencomputer selbst im Erfolgsfall nicht in der Lage sein, die Existenz von Paralleluniversen zu beweisen.
Trotz der Meinungsverschiedenheiten lobte Siegel die Leistung von Google mit dem Willow-Chip und nannte ihn „einen wirklich herausragenden Fortschritt im Quantencomputing“. Er glaubt, dass dieser Durchbruch dazu beitragen könnte, einige der größten Probleme der Erde zu lösen, etwa die Entdeckung neuer Medikamente, die Entwicklung besserer Batterien für Elektrofahrzeuge sowie die Förderung der Kernfusion und neuer Energiequellen.
Nevin teilte den gleichen Optimismus und sagte: „Viele dieser zukünftigen bahnbrechenden Anwendungen sind auf herkömmlichen Computern nicht realisierbar; sie warten darauf, durch Quantencomputing erschlossen zu werden.“
Technologischer Durchbruch beim „Willow“-Chip
Der „Willow“-Chip ist der neueste supraleitende Prozessor, der von Googles Quanten-KI-Team entwickelt wurde. Im Gegensatz zu älteren Geräten, die Schwierigkeiten hatten, Fehler zu kontrollieren, treibt Willow die Leistung in eine neue Dimension und unterstützt Technologien, die dafür sorgen, dass die Quantenfehlerkorrektur wirklich hält, was sie verspricht.
Dieses System erfüllt die Bedingungen eines spezifischen Ansatzes, der als „Oberflächenkodierung“ bekannt ist. Frühere Versuche stießen beim Hinzufügen weiterer Qubits auf ein Hindernis, aber Willow durchbricht diese Hürde.
Codeentfernung und Quantenfehlerkorrektur
Quantenfehlerkorrektur-Frameworks beziehen sich oft auf etwas, das „Code-Distanz“ genannt wird. Einfach ausgedrückt stellt dies die Anzahl der Qubits dar, die zum Schutz eines Quantendatenblocks verwendet werden. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, sollten größere Abstände (z. B. die Erhöhung des Codeabstands von 3 auf 5 auf 7) die Gesamtausfallwahrscheinlichkeit verringern.
Bei neuen Geräten halbiert sich die logische Fehlerrate mit jeder weiteren Entfernungsstufe. Solche Verbesserungen sind seit langem ein Hauptziel der Quantencomputing-Forscher.
Laut den veröffentlichten Ergebnissen sagte der Quantenwissenschaftler Hartmut Nevin, Gründer des Quantum AI Lab von Google: „Willow hat eine Standard-Benchmark-Berechnung in fünf Minuten abgeschlossen, einer der schnellsten Supercomputer heute. Es wird 10 Jahre dauern, bis er fertig ist.“
Langanhaltende Leistung und Fehlerkorrektur in Echtzeit
Die Durchführung eines Tests über nur wenige Zyklen ergibt möglicherweise nicht das vollständige Bild der Systemstabilität. Der neue Quantenchip von Google überwindet dieses Problem, indem er die Leistung auf eine Million Zyklen steigert. Das Gerät behält seine Leistung unterhalb des Schwellenwerts über einen Zeitraum bei, in dem andere Systeme normalerweise nach Luft schnappen würden. Es ist keine leichte Aufgabe, die Echtzeit-Dekodierungsgenauigkeit über einen so langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.
Das Team hinter „Willow“ hat seine Abläufe so organisiert, dass Korrekturen sofort vorgenommen werden konnten. Diese Methode stellt sicher, dass der Chip nicht aus der Spur gerät.
„Wir sehen Willow als einen wichtigen Schritt auf unserem Weg zum Bau nützlicher Quantencomputer“, sagte Google-Chef Sundar Pichai.
Jenseits traditioneller Engpässe
Herkömmliche Supercomputer nutzen Milliarden winziger Schalter, die auf wohlbekannte Weise funktionieren, um komplexe Aufgaben zu bewältigen. Im Gegensatz dazu nutzen Quantencomputer Phänomene aus, die sich nicht auf klassische Abkürzungen reduzieren lassen. Bisher bestand das Problem darin, empfindliche Quantenzustände lange genug am Leben zu erhalten, um sinnvolle Berechnungen durchführen zu können.
Mit Willow zeigte das Team, dass Qubits so zusammenarbeiten können, dass Fehler nicht überhand nehmen. Die Demonstration zeigt, dass Quantenchips in der Lage sind, Rechenleistungen zu erbringen, die über die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Systeme hinausgehen.
Die Zukunft des Quantencomputings
Ziel von Google ist es, Hardware zu verwenden, die diese strengen Zuverlässigkeitstests bestehen kann, um zu beweisen, dass Quantencomputer nicht für immer ein Spielzeugproblem bleiben.
Die Vergrößerung der Codeentfernung ohne Verlust der Fehlerkorrekturfähigkeiten deutet darauf hin, dass eine große Anzahl von Qubits eines Tages Algorithmen antreiben könnte, die für reale Aufgaben relevant sind, beispielsweise die Beschleunigung komplexer Simulationen, die Verbesserung von Medikamentenentwicklungsprozessen und die Erforschung von Methoden zur Energiespeicherung neuer Materialien.
Willows Erfolg beim Erreichen von Fehlerraten unterhalb des Schwellenwerts über längere Zeiträume könnte die Bemühungen von Branchen fördern, die auf starke Beweise dafür gewartet haben, dass sich Quantenhardware zu einem vertrauenswürdigen Werkzeug entwickeln wird.
Während die Fehlerkorrektur zur Routine wird, besteht das Ziel der Quantenfehlerkorrektur nie darin, Fehler vollständig zu beseitigen, sondern Fehler so selten zu machen, dass eine Maschine Berechnungen bis zum Ende durchführen kann.
Wenn zukünftige Designs auf den Stabilitäts- und Skalierbarkeitsfunktionen von Willow aufbauen, wird diese Korrektur vielleicht eines Tages im Hintergrund stattfinden, unbemerkt von den Benutzern. Das Erreichen dieser Fehlertoleranz könnte es Quantencomputern ermöglichen, Arbeitslasten zu bewältigen, die weit über die Möglichkeiten klassischer Hardware hinausgehen. Dies zeigt praktische Möglichkeiten zur Skalierung dieser unglaublichen Maschinen.
Globale Zusammenarbeit treibt Quantenfehlerkorrektur voran
Die Bemühungen von Google Quantum AI und anderen globalen Gruppen sind kein Einzelfall. Das Gebiet der Quantenfehlerkorrektur hat die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen, die nach Wegen für praktische Geräte suchen.
Im letzten Jahrzehnt hat die Forschung gezeigt, wie wichtig bestimmte Gitterdesigns und logische Qubits sind, die in sorgfältigen Layouts angeordnet sind. Willow zeigt nun, dass mit der richtigen Chiparchitektur und dem richtigen Fehlerkorrekturschema die Schwelle überschritten werden kann.
Dies bringt das gesamte Gebiet dem Bau von Maschinen näher, die nützliche Probleme lösen können. Auch wenn die Reise noch nicht zu Ende ist, ist ein wichtiger Teil des Puzzles bereits vorhanden.
Der Erfolg von Googles „Willow“-Chip markiert einen wichtigen Meilenstein im Bereich Quantencomputing. Obwohl es immer noch Herausforderungen gibt, ebnen die Durchbrüche bei Fehlerkorrektur und Skalierbarkeit den Weg für die praktische Anwendung von Quantencomputern in der Zukunft und geben Anlass zur Hoffnung, viele globale Probleme zu lösen. Diese Technologie wird zweifellos tiefgreifende Auswirkungen auf die zukünftige technologische Entwicklung haben.