Ist Quanten-Computing nur ein Paradebeispiel?

Ich habe einen Abschluss in Informatik. Ich arbeite in der IT und das seit vielen Jahren. In dieser Zeit sind "klassische" Computer sprunghaft vorangekommen. Ich habe jetzt ein Terabyte-Laufwerk in der Schublade meines Schlafzimmers, mein Telefon verfügt über eine phänomenale Rechenleistung und Computer haben unser Leben revolutioniert.

Aber soweit ich weiß, hat das Quanten-Computing nichts getan. Außerdem sieht es so aus, als würde es so bleiben. Quantum Computing gibt es schon seit vierzig Jahren, und Real Computing hat es im Staub liegen lassen. Sehen Sie sich die Zeitleiste auf Wikipedia an und fragen Sie sich, wo sich der Paralleladdierer befindet. Wo ist das Äquivalent von Atlas oder dem MU5? Ich war an der Universität von Manchester und habe die Geschichte im Artikel von Manchester Computers auf Wikipedia nachgelesen. Quantencomputer zeigen keinen ähnlichen Fortschritt. Au contraire, es sieht so aus, als wären sie noch nicht einmal vom Boden aufgesprungen. Sie werden in Kürze keine in PC World kaufen.

Wirst du jemals in der Lage sein? Ist das alles Hype und heiße Luft? Ist Quanten-Computing nur ein Paradebeispiel? Ist das alles nur Jam-tomorrow-Werbung, die von Quantenquacksalbern für ein leichtgläubiges Publikum betrieben wird? Wenn nein, warum nicht?

Ist Quanten-Computing nur ein Paradebeispiel?

Bisher sieht es so aus. Wir haben in den letzten drei Jahrzehnten aggressiv nach diesem Kuchen gegriffen, aber mit wenig Erfolg. Wir haben jetzt zwar Quantencomputer, aber das ist nicht der Kuchen, den wir wollten. Dies ist ein Quantencomputer, der ein Problem tatsächlich schneller oder mit besserer energetischer Effizienz lösen kann als ein klassischer Computer.

Sie werden in Kürze keine in PC World kaufen.

Wirst du jemals in der Lage sein?

Wir können die Zukunft nicht vorhersagen, aber wenn ich jetzt raten müsste, würde ich "nein" sagen. Es gibt noch keine Anwendung, für die Quantencomputing wertvoll genug wäre. Stattdessen könnten wir Quantencomputer an einer kleinen Anzahl von speziellen Instituten haben, an denen ganz spezielle Berechnungen durchgeführt werden (wie der Supercomputer Titan im Oak Ridge National Lab oder ein Zyklotron-Teilchenbeschleuniger, an dem spezielle Experimente durchgeführt werden).

Ist das alles Hype und heiße Luft?

Das meiste ist leider Hype.

Anwendungen in der Quantenchemie können sich jedoch grundlegend ändern. Anstatt mit Tausenden von Kandidatenmolekülen für Medikamente oder Düngemittel mühsam zu experimentieren, können wir am Computer nach den besten Molekülen suchen. Moleküle verhalten sich quantenmechanisch und die Simulation der Quantenmechanik ist auf klassischen Computern nicht effizient, aber auf Quantencomputern. Ein Großteil der Investitionen von Google in die Qualitätskontrolle entfällt auf chemische Anwendungen [ 1 ].

Ist alles nur Marmeladen-Morgen-Werbung für ein leichtgläubiges Publikum? Wenn nein, warum nicht?

Vieles davon ist leider.

Sie waren wahrscheinlich einer der talentierteren Studenten in Ihrer Klasse an der Manchester University. Sie haben vielleicht bemerkt, dass es nur wenige von Ihnen und eine größere Anzahl von mittelmäßigen und mittelschweren Schülern gab. Auf Professorenniveau gibt es ein ähnliches Phänomen. Viele Professoren finden es nicht einfach oder "natürlich", gut aufgenommene Stipendienvorschläge zu schreiben, aber sie benötigen finanzielle Mittel, um ihren Job zu behalten und um sicherzugehen, dass ihre Promotion abgeschlossen ist. Studenten haben keine Lust, wissenschaftliche Konferenzen zu besuchen und auf die Software zuzugreifen, die sie benötigen.

Wenn ein Professor wird:

• verzweifelt nach Finanzierung, oder

• mit anderen Problemen im Leben zu kämpfen haben, wie zum Beispiel um ein krebskrankes Kind kümmern zu müssen oder

• Das Bewusstsein, dass sie keine großen wissenschaftlichen Entdeckungen machen werden, wie es einige Wissenschaftler vor 100 Jahren gemacht haben, bedeutet mehr, zu überleben, eine glückliche Familie zu führen und das zu tun, was ihnen Spaß macht, als eine bessere Welt für die Enkelkinder ihrer Enkelkinder zu schaffen. Als Professor kann ich Ihnen sagen, dass viele meiner Kollegen nicht so "edel" sind, wie die Öffentlichkeit Wissenschaftler oft als "edel" empfindet.

Ich kenne ungefähr 1000 Leute mit finanziellen Mitteln für die Arbeit im Quantencomputer, und keine einzige scheint schlechte Absichten zu haben, eine "leichtgläubige Öffentlichkeit" auf eine unheimliche Weise zu täuschen. Die meisten von uns beantragen nur Stipendien, die über ihre Universitäten oder Regierungen erhältlich sind, und wir wollen die Bedeutung unserer Arbeit nicht mehr übertreiben als andere Wissenschaftler, die um das gleiche Geld konkurrieren (wir müssen uns mit molekularen Physikern messen, die ihre Arbeit vortäuschen) ist wichtig, um den Klimawandel zu beheben, nur weil sich das Molekül, an dem sie arbeiten, in unserer Atmosphäre befindet, oder weil Biophysiker, die ihre Arbeit vortäuschen, Krebs heilen könnten, nur weil sie an einem Molekül arbeiten, das im Körper eine herausragende Rolle spielt.

Ein Großteil des "Hype" um Quantum Computing kommt aus den Medien. Journalisten haben den Inhalt meiner Papiere verdreht, um auffällige Schlagzeilen zu machen, die mehr Klicks auf ihre Anzeigen bringen, und ihre Chefs geben ihnen Druck, dies zu tun, oder sie verlieren ihren Job an den anderen Praktikanten, der es nicht so sehr interessiert um ehrlich zu sein.

Ein Teil des Hype kommt von Wissenschaftlern selbst. Viele glauben wirklich, dass Quantencomputer revolutionär sein werden, weil ihre Promotion zum Dr. Supervisor hatte keine großartige Ausbildung (denken Sie daran, dass die Manchester University eine der besten der Welt ist und die meisten Universitäten nicht einmal in der Nähe sind), oder vielleicht gibt es in seltenen Fällen einen Hype von Leuten, die verzweifelt nach Finanzmitteln suchen, aber nicht viel aus Gründen andere als diese.

Ich bin der Meinung, dass die Öffentlichkeit ein wenig in Quantencomputer investieren sollte, wie dies auch für viele andere Forschungsbereiche der Fall ist, für die kein positives Ergebnis garantiert werden kann. Der Hype wird oft von Journalisten, ignoranten Wissenschaftlern oder nicht-ignoranten Wissenschaftlern übertrieben, die glauben, dass sie ihn zum Überleben brauchen. Es gibt auch zu Unrecht scharfe Kritik von Journalisten und Förderagenturen.

Nichts, was Sie in Ihrer Frage gesagt haben, ist falsch.
Ich habe nur einige Gründe angegeben, warum sie richtig sind.

Ich werde versuchen, dies von einem neutralen Standpunkt aus zu betrachten. Ihre Frage ist sozusagen "meinungsbasiert", doch es sind noch einige wichtige Punkte zu beachten. Theoretisch gibt es (noch) kein überzeugendes Argument, warum Quantencomputer praktisch nicht realisierbar sind. Aber sehen Sie sich Folgendes an: Wie Quantencomputer versagen: Quantencodes, Korrelationen in physikalischen Systemen und Rauschakkumulation - Gil Kalai und der zugehörige Blog-Beitrag von Scott Aaronson, in dem er einige überzeugende Argumente gegen Kalais Behauptungen liefert. Lesen Sie auch die Antwort von James Wotton auf den entsprechenden QCSE-Beitrag: Klingt Gil Kalais Argument gegen topologische Quantencomputer?

Math Overflow hat eine großartige Zusammenfassung: Über mathematische Argumente gegen Quantencomputer .

Allerdings gibt es natürlich technische Probleme .

Probleme (angepasst von arXiv: cs / 0602096 ):

• Empfindlichkeit gegenüber der Interaktion mit der Umgebung: Quantencomputer reagieren äußerst empfindlich auf die Interaktion mit der Umgebung, da jede Interaktion (oder Messung) zum Zusammenbruch der Zustandsfunktion führt. Dieses Phänomen nennt man Dekohärenz. Es ist äußerst schwierig, ein Quantensystem, insbesondere ein für die Berechnung entwickeltes, zu isolieren, ohne sich mit der Umgebung zu verwickeln. Je größer die Anzahl der Qubits ist, desto schwieriger ist es, die Kohärenz aufrechtzuerhalten.

  [Weiterführende Literatur: Wikipedia: Quantendekohärenz ]

• Unzuverlässige Quanten-Gate-Aktionen: Die Quantenberechnung von Qubits wird durchgeführt, indem sie mit einer Reihe von Transformationen bearbeitet werden, die im Prinzip unter Verwendung kleiner Gatter implementiert werden. Es ist zwingend erforderlich, dass bei diesen Transformationen keine Phasenfehler eingeführt werden. Praktische Schemata können jedoch solche Fehler verursachen. Es ist auch möglich, dass das Quantenregister bereits vor Beginn der Berechnung mit der Umgebung verstrickt ist. Darüber hinaus macht die Unsicherheit in der Anfangsphase die Kalibrierung durch Rotationsbetrieb unzureichend. Darüber hinaus muss der relative Mangel an Präzision bei der klassischen Steuerung, die die Matrixtransformationen implementiert, berücksichtigt werden. Diese Ungenauigkeit kann durch den Quantenalgorithmus nicht vollständig kompensiert werden.

• Fehler und ihre Korrektur: Die klassische Fehlerkorrektur verwendet Redundanz. Am einfachsten ist es, die Informationen mehrmals zu speichern. Wenn diese Kopien später nicht mehr übereinstimmen, stimmen Sie einfach mit der Mehrheit ab. Angenommen, wir kopieren ein bisschen dreimal. Es sei ferner angenommen, dass ein verrauscher Fehler den Drei-Bit-Zustand verfälscht, so dass ein Bit gleich Null ist, aber die anderen beiden gleich Eins sind. Wenn wir annehmen, dass verrauschte Fehler unabhängig sind und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auftreten,$p$ist es am wahrscheinlichsten, dass der Fehler ein Einzelbitfehler ist und die übertragene Nachricht drei ist. Es ist möglich, dass ein Doppelbitfehler auftritt und die übertragene Nachricht drei Nullen entspricht, dieses Ergebnis ist jedoch weniger wahrscheinlich als das obige Ergebnis. Das Kopieren von Quanteninformationen ist aufgrund des No-Cloning-Theorems nicht möglich. Dieser Satz scheint ein Hindernis für die Formulierung einer Theorie der Quantenfehlerkorrektur zu sein. Es ist jedoch möglich, die Informationen eines Qubits auf einen stark verschränkten Zustand mehrerer (physikalischer) Qubits zu verteilen. Peter Shor entdeckte diese Methode zum Formulieren eines Quantenfehlerkorrekturcodes, indem er die Informationen eines Qubits in einem stark verschränkten Zustand von neun Qubits speicherte. Quantenfehlerkorrekturcodes schützen jedoch die Quanteninformation vor Fehlern nur einiger begrenzter Formen. Ebenfalls, Sie sind nur für Fehler in einer kleinen Anzahl von Qubits wirksam. Darüber hinaus skaliert die Anzahl der Qubits, die zum Korrigieren von Fehlern benötigt werden, normalerweise nicht gut mit der Anzahl der Qubits, in denen der Fehler tatsächlich auftritt.

  [Weiterführende Literatur: Wikipedia: Quantenfehlerkorrektur ]

• Einschränkungen bei der Zustandsvorbereitung: Die Zustandsvorbereitung ist der wesentliche erste Schritt, der vor Beginn einer Quantenberechnung zu berücksichtigen ist. In den meisten Schemata müssen sich die Qubits in einem bestimmten Überlagerungszustand befinden, damit die Quantenberechnung korrekt abläuft. Das präzise Erzeugen beliebiger Zustände kann jedoch exponentiell schwierig sein (sowohl in Bezug auf die Zeit als auch auf die Ressourcen (Gate) -Komplexität).

• Quanteninformation, Unsicherheit und Entropie von Quantentoren: Klassische Informationen sind durch Interaktion mit dem System leicht zu erhalten. Andererseits bedeutet die Unmöglichkeit des Klonens, dass ein spezifischer unbekannter Zustand nicht bestimmt werden kann. Dies bedeutet, dass unsere Kontrollmöglichkeiten begrenzt bleiben, sofern das System nicht speziell vorbereitet wurde. Die durchschnittliche Information eines Systems ist durch seine Entropie gegeben. Die Bestimmung der Entropie würde von den Statistiken abhängen, denen das Objekt folgt.

• Eine Anforderung für niedrige Temperaturen : Einige Quantencomputerarchitekturen wie das supraleitende Quantencomputing erfordern extrem niedrige Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt), um zu funktionieren.

Fortschritt:

• Vor ungefähr anderthalb Jahrzehnten betrug die Dekohärenzzeit für die sogenannten "Quantencomputer" weniger als 1 Nanosekunde. Jetzt hat die IBM Quantum Experience 16-Qubit-Version, auf die Sie online zugreifen können, eine Dekohärenzzeit von ~ 100 μs (siehe: Demonstration von Variabilität und Paritätslernen auf dem IBM 16-Qubit-Prozessor (Davide Ferrari & Michele Amoretti, 2018) ). Die Dekohärenzzeit von 100 μs reicht aus, um bereits einfache Quantenalgorithmen auszuführen! Sie können es selbst auf den 5-Qubit- und 16-Qubit-Quantencomputern testen, die von IBM online verfügbar gemacht wurden. Ich denke, Google konnte mit seinen supraleitenden Chips (mit einer entsprechenden Anzahl von Qubits) noch bessere Dekohärenzzeiten erzielen.

  • Im Bereich der Quantenfehlerkorrektur wurden in den letzten zehn Jahren erhebliche Verbesserungen erzielt (was eine viel geringere Anzahl von Gesamt-Qubits erfordert). Eine kurze Übersicht finden Sie unter Quantum Error Correction for Quantum Memories (Terhal, 2015) .

  Zitat: Wikipedia: Quantenfehlerkorrektur - Experimentelle Realisierung :

  Es gab mehrere experimentelle Realisierungen von CSS-basierten Codes. Die erste Demonstration erfolgte mit NMR-Qubits. Anschließend wurden Demonstrationen mit linearer Optik, eingefangenen Ionen und supraleitenden (Transmon) Qubits durchgeführt. Es wurden auch andere fehlerkorrigierende Codes implementiert, beispielsweise einer, der auf die Korrektur des Photonenverlusts abzielt, der dominanten Fehlerquelle in photonischen Qubit-Schemata.

  • Die Herstellung beliebiger Quantenzustände ist nach wie vor ein großes Problem. Zumindest wissen wir jetzt die genaue Gate-Zerlegung für jede unitäre Evolution ( Quantenzustandsvorbereitung mit universellen Gate-Zerlegungen (Plesch & Brukner, 2011) ), obwohl die Anzahl der Gates normalerweise nicht gut mit einer Anzahl von Qubits skaliert. Es gab weitere Verbesserungen wie bei der Herstellung von High-Fidelity-Quantenzuständen unter Verwendung der benachbarten optimalen Steuerung (Yuchen Peng & Frank Gaitan, 2017) . Für einige andere kürzlich entwickelte hochpräzise Methoden der Zustandsvorbereitung siehe Die Vorbereitung von Zuständen in der Quantenmechanik (Fröhlich, 2016) und Vorbereitung des Quantenzustands (Ali et al., 2017) .

  • Eines der Hauptprobleme wir noch haben , ist Anzahl von Qubits (beachten Sie, dass dieses Problem ist an sich für lange Zeiträume cf zeitliche Kohärenz auf die Schwierigkeit der Aufrechterhaltung Zusammenhang Katzen Schrödinger und der Schwierigkeit der makroskopischen Überlagerungszustand und die ausgezeichnete Antwort darin). Keiner der heutigen Quantencomputer reicht aus, um eine wesentliche Verbesserung der "Fähigkeit" im Vergleich zu klassischen Computern zu zeigen. Die größte Zahl, die von einem Quantencomputer bis dato faktorisiert wurde, ist 291311 (Hochgenaue adiabatische Quantenberechnung unter Verwendung des Hamiltonian eines Spinsystems: Anwendung auf die experimentelle Faktorisierung von 291311 (Li et al., 2017)). Die Brute-Force-Faktorisierung von 291311 benötigt höchstens ~ 270 Divisionen, von denen jede auf modernen CPUs ~ 10 ns benötigt. Das sind insgesamt 3 us, was bedeutet, dass die Faktorisierung auf Ihrem Laptop um mehrere Größenordnungen schneller sein wird. Die praktische Verbesserung der Zeitkomplexität macht sich erst bemerkbar, wenn sich die Anzahl der Qubits um mindestens das Zehnfache erhöht (ich betrachte nicht die D-Wave-Maschinen mit über 1000 Qubits, da sie einen anderen bekannten Mechanismus verwenden) als Quantenglühen, das nur in wenigen engen Problembereichen wirksam ist). Aber wahrscheinlich steigt sogar die Zahl der Qubits stetig an. Kürzlich kündigte Google eine 72-Qubit-Maschine an ( Google AI-Blog: Vorschau auf Bristlecone, Googles neuen Quantenprozessor ) und Intel kündigte einen 49-Qubit-Chip an (IEEE Spectrum :: CES 2018: Intels 49-Qubit-Chip schießt für Quantum Supremacy ). Vergleichen Sie das mit den 2000ern, als wir nur eine einstellige Anzahl von Qubits hatten!

  • In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Quantencomputerarchitekturen entdeckt, für die keine Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich sind , beispielsweise optische Quantencomputer, Quantencomputer mit gefangenen Ionen, Quantencomputer auf Diamantbasis usw. Warum müssen optische Quantencomputer nicht nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, während supraleitende Quantencomputer dies tun?

Fazit:

Ob wir jemals effiziente Quantencomputer haben werden, die in bestimmten Bereichen die klassischen Computer sichtbar übertreffen können, wird nur die Zeit sagen. Angesichts der beachtlichen Fortschritte, die wir erzielt haben, wäre es jedoch wahrscheinlich nicht falsch zu sagen, dass wir in ein paar Jahrzehnten über ausreichend leistungsfähige Quantencomputer verfügen sollten. Theoretisch wissen wir jedoch noch nicht , ob es klassische Algorithmen gibt (gibt), die hinsichtlich der zeitlichen Komplexität mit Quantenalgorithmen übereinstimmen. Siehe meine vorherige Antwort zu diesem Problem. Aus rein theoretischer Sicht wäre es auch äußerst interessant, wenn jemand nachweisen könnte, dass alle BQP-Probleme in BPP oder P liegen!

Ich persönlich glaube, dass wir in den kommenden Jahrzehnten eine Kombination aus Quantencomputertechniken und klassischen Computertechniken verwenden werden (dh Ihr PC wird sowohl klassische Hardwarekomponenten als auch Quantenhardware enthalten, oder Quantencomputer werden vollständig cloudbasiert sein, und Sie Ich greife nur von klassischen Computern aus online auf sie zu. Denn denken Sie daran, dass Quantencomputer nur für einen sehr engen Bereich von Problemen effizient sind. Es wäre ziemlich ressourcenintensiv und unklug, eine Addition wie 2 + 3 mit einem Quantencomputer durchzuführen (siehe Wie rechnet ein Quantencomputer auf Hardwareebene? ).

Kommen Sie nun zu dem Punkt, ob nationale Gelder unnötig für den Bau von Quantencomputern verschwendet werden . Meine Antwort lautet NEIN ! Selbst wenn es uns nicht gelingt, legitime und effiziente Quantencomputer zu bauen, werden wir hinsichtlich des technischen Fortschritts und des wissenschaftlichen Fortschritts noch viel gewonnen haben . Die Forschung im Bereich Photonik und Supraleiter hat sich bereits vervielfacht, und wir beginnen, viele physikalische Phänomene besser als je zuvor zu verstehen. Darüber hinaus haben die Quanteninformationstheorie und die Quantenkryptographie zur Entdeckung einiger netter mathematischer Ergebnisse und Techniken geführt, die auch in vielen anderen Bereichen nützlich sein können (vgl.Physics SE: Mathematisch anspruchsvolle Gebiete in der Quanteninformationstheorie und der Quantenkryptographie . Wir werden zu dieser Zeit auch viel mehr über einige der schwierigsten Probleme in der theoretischen Informatik verstanden haben (auch wenn wir keinen "Quantencomputer" bauen können).

Quellen und Referenzen:

1. Schwierigkeiten bei der Implementierung von Quantencomputern (Ponnath, 2006)

2. Wikipedia: Quantencomputer

3. Wikipedia: Quantenfehlerkorrektur

Nachtrag:

Nach einigem Suchen fand ich einen sehr schönen Artikel, in dem fast alle Gegenargumente von Scott Aaronson gegen die Quantencomputer-Skepsis skizziert sind. Ich kann nur wärmstens empfehlen , alle dort aufgeführten Punkte durchzugehen. Es ist eigentlich Teil 14 der Vorlesungsunterlagen , die Aaronson auf seiner Website veröffentlicht hat. Sie wurden für den Kurs PHYS771 an der University of Waterloo verwendet. Die Vorlesungsnotizen basieren auf seinem beliebten Lehrbuch Quantum Computing Since Democritus .

Klassisches Computing gibt es schon länger als Quantencomputing. Die Anfänge des klassischen Rechnens ähneln denen, die wir heute mit dem Quantencomputer erleben. Das in den 1940er Jahren gebaute Z3 (First Turing Complete Electronic Device) hatte die Größe eines Raumes und war weniger leistungsstark als Ihr Telefon. Dies spricht für den phänomenalen Fortschritt, den wir im klassischen Computing erlebt haben.

Die Anfänge des Quantencomputers begannen jedoch erst in den 1980er Jahren . Shors Factoring-Algorithmus; Die Entdeckung, die das Feld in Schwung brachte, wurde in den neunziger Jahren entdeckt . Einige Jahre später folgte die erste experimentelle Demonstration eines Quantenalgorithmus.

Es gibt Hinweise darauf, dass Quantencomputer funktionieren können. Es gibt jedes Jahr enorme Fortschritte in Bezug auf die experimentellen und theoretischen Aspekte dieses Gebiets, und es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass es aufhören wird. Das Quantum-Schwellwert-Theorem besagt, dass Quanten-Computing in großem Maßstab möglich ist, wenn die Fehlerraten für physikalische Gatter unter einem bestimmten Schwellwert liegen. Wir nähern uns dieser Schwelle für kleine Systeme (einige argumentieren, dass wir bereits dort sind).

Es ist gut, skeptisch gegenüber der Nützlichkeit der Quantenberechnung zu sein. In der Tat ist es ermutigt! Es ist auch normal, den Fortschritt der Quantenberechnung mit der klassischen Berechnung zu vergleichen. vergessen, dass Quantencomputer schwieriger zu bauen sind als klassische Computer.

Frühe klassische Computer wurden mit vorhandener Technologie gebaut. Zum Beispiel wurden Vakuumröhren etwa vier Jahrzehnte vor der Herstellung von Colossus erfunden.

Für Quantencomputer müssen wir die Technologie erfinden, bevor wir den Computer herstellen. Und die Technologie ist so weit fortgeschritten, dass nur dieser Schritt einige Jahrzehnte gedauert hat.

Jetzt haben wir so ziemlich unsere Quantenversionen von Vakuumröhren. Erwarten Sie also einen Koloss in etwa einem Jahrzehnt.

TL, DR: Es wurden bereits technische und physikalische Argumente vorgebracht. Ich füge eine historische Perspektive hinzu: Ich behaupte, dass das Gebiet der Quantenberechnung tatsächlich erst etwas mehr als zwei Jahrzehnte alt ist und dass wir mehr als drei Jahrzehnte gebraucht haben, um so etwas wie die MU5 zu bauen.

Da Sie die Timeline erwähnen, schauen wir uns das genauer an:

Die Anfänge

Zunächst wurde die bloße Möglichkeit eines Quantencomputers von Richard Feynman im Westen (1959 oder 1981, wenn Sie es wünschen) und Yuri Manin im Osten (1980) geäußert. Aber das hat nur eine Idee. Es wird keine Implementierung gestartet.

Wann passierten ähnliche Dinge mit klassischem Computing? Nun, vor sehr langer Zeit. Charles Babbage zum Beispiel wollte bereits im frühen 19. Jahrhundert Computer bauen und hatte bereits Ideen. Pascal, Leibniz, alle hatten Ideen. Die analytische Maschine von Babbage aus dem Jahr 1837, die aufgrund finanzieller und technischer Herausforderungen nie gebaut wurde (übrigens, der Vorläufer der analytischen Maschine wurde mit Lego gebaut ), ist definitiv die jüngste erste Idee, die Feynman und Manin bereits weit voraus ist Quanten-Computing, weil es eine konkrete Implementierung vorschlägt.

Die 70er Jahre sehen nichts, was mit einem Quantencomputer zu tun hat. Einige Codes werden erfunden, einige theoretische Grundlagen werden geschaffen (wie viele Informationen können gespeichert werden?), Was für qc notwendig ist, aber es verfolgt nicht wirklich die Idee des Quantencomputers.

Codes und kommunikationsbezogene Ideen sind für die Quantenberechnung das, was Telefone und Telegraphenleitungen für das klassische Rechnen sind: ein wichtiger Vorläufer, aber kein Computer. Wie Sie wissen, sind Morsecodes und Telegraphen Technologien des 19. Jahrhunderts, und es wurden auch schwierigere Codes für verrauschte Kanäle untersucht. Die mathematischen Grundlagen (in Bezug auf No-Go-Theoreme und dergleichen) wurden 1948 von Shannon geschaffen.

Man kann jedenfalls behaupten, dass das Lochkarten-Computing 1804 für das Weben entwickelt wurde , aber ich möchte nicht behaupten, dass dies wirklich der Beginn der klassischen Berechnung war.

Universelle (Quanten-) Computer

Wann begann die Berechnung? Ich werde argumentieren, dass Sie eine Reihe von Dingen benötigen, um die Forschung für Universal Computing in Gang zu bringen. davor wird die Anzahl der Menschen und das dort investierte Geld begrenzt sein.

1. Sie benötigen die Vorstellung eines universellen Computers und ein theoretisches Modell dessen, was erreicht werden soll.
2. Sie benötigen eine Architektur zur Implementierung eines universellen Computers - auf theoretischer Ebene.
3. Sie benötigen ein reales System, in dem Sie es implementieren können.

Wann bekommen wir diese in Quantenberechnung?

• Deutsch beschreibt den universellen Quantencomputer 1985 (vor 33 Jahren).
• Schaltungsmodelle und Tore werden ungefähr zur gleichen Zeit entwickelt.
• Das erste vollständige Modell, wie man alles zusammensetzt, wurde von Cirac und Zoller 1994 (vor nur 24 Jahren) vorgeschlagen.

Alle anderen Fortschritte in der Quantenberechnung vor oder während dieser Zeit beschränkten sich auf Kryptographie, Quantensysteme im Allgemeinen oder andere allgemeine Theorien.

Was ist mit klassischer Berechnung?

• Wir haben Turings Arbeit an Turing-Maschinen (1936) oder die Arbeit von Church (im selben Zeitrahmen).
• Moderne Architekturen stützen sich auf von Neumanns Modell (1945); andere Architekturen existieren.
• Als Modell wurde das digitale Schaltungsmodell 1937 von Shannon entworfen.

1994 sind wir also in einem vergleichbaren Zustand wie 1937:

• Es gibt ein paar Leute, die theoretische Grundlagenarbeit leisten, und die Grundlagenarbeit wurde nun geleistet.
• Es gibt eine ganze Reihe von Leuten, die technische Arbeiten zu grundlegenden Themen ausführen, die nicht direkt zusammenhängen, aber für den Bau eines (Quanten-) Computers sehr hilfreich sind.
• Und das Feld ist im Allgemeinen nicht so groß und gut finanziert.
• Aber: Ab diesem Datum strömen Finanzmittel und Leute auf das Feld.

Das Feld hebt ab

Für das klassische Rechnen wird dies durch die Anzahl der verschiedenen "ersten Computersysteme" in der Wikipedia-Zeitleiste veranschaulicht. Zumindest in Deutschland, England und den USA gab es mehrere Forschungsgruppen an mehreren Standorten (z. B. Manchester und Bletchley Park in Großbritannien, um nur einige zu nennen). Das Geld der Kriegszeit wurde in die Datenverarbeitung umgeleitet, weil es beispielsweise für die Entwicklung der Atombombe erforderlich war (siehe Konten in Los Alamos).

Zur Quantenberechnung siehe zB diesen Kommentar :

Das Gebiet der QIS begann Anfang bis Mitte der neunziger Jahre als Folge mehrerer gleichzeitiger Reize ein explosives Wachstum: Peter Shor zeigte, dass ein Quantencomputer sehr große Zahlen supereffizient faktorisieren kann. Die Halbleiterindustrie erkannte, dass die Verbesserung von Computern nach Moores Gesetz nur allzu schnell an die Quantengrenze stoßen würde, was radikale technologische Änderungen erforderlich machen würde. Die Entwicklungen in den physikalischen Wissenschaften erzeugten eingefangene Atomionen, fortgeschrittene optische Hohlräume, Quantenpunkte und viele andere Fortschritte, die es ermöglichten, den Aufbau funktionsfähiger Quantenlogik-Bauelemente in Betracht zu ziehen. Darüber hinaus führte die Notwendigkeit einer sicheren Kommunikation zu Untersuchungen von Quantenkommunikationsschemata, die manipulationssicher wären.

Alles in allem dauerte es von der Zeit, als die theoretischen Grundlagen für moderne Computer gelegt worden waren, bis zu der Zeit, als die ersten Computer verfügbar waren (Zuse 1941, Manchester 1948, um nur zwei zu nennen), ungefähr ein Jahrzehnt. In ähnlicher Weise dauerte es ungefähr ein Jahrzehnt, bis die ersten Systeme eine Art universell programmierbare Berechnung mit Quantensystemen durchführten. Zugegeben, ihre Fähigkeiten sind geringer als die der ersten Manchester-Computer, aber immer noch.

Zwanzig Jahre später erleben wir langsam ein explosionsartiges technologisches Wachstum und viele Unternehmen beteiligen sich daran. Wir sehen auch das Aufkommen neuer Technologien wie des Transistors (erstmals 1947 entdeckt).

In ähnlicher Weise sehen wir 20 Jahre nach Beginn der Quantenberechnung den ernsthaften Einstieg privater Unternehmen mit Google, IBM, Intel und vielen anderen. Als ich 2012 an meiner ersten Konferenz teilnahm, war ihr Engagement noch akademisch, heute ist es strategisch. In ähnlicher Weise sahen wir in den 2000er Jahren eine Fülle verschiedener Quantencomputersysteme wie supraleitende Qubits, die die Grundlage für die fortschrittlichsten Chips der drei oben genannten Unternehmen bilden. Im Jahr 2012 konnte niemand behaupten, ein etwas zuverlässiges System mit mehr als ein paar physischen Qubits zu haben. Heute, nur sechs Jahre später, lässt IBM Sie mit ihren sehr zuverlässigen 16 Qubits spielen (5, wenn Sie wirklich nur herumspielen wollen) und Google behauptet, ein 72-Qubit-System zu testen, während wir sprechen.

Ja, wir haben noch einen weiten Weg vor uns, um einen zuverlässigen Quanten-Großcomputer mit Fehlerkorrekturfähigkeiten zu haben, und die Computer, die wir derzeit haben, sind schwächer als die klassischen Computer, die wir in den 60er Jahren hatten, aber ich (wie andere im Folgenden erläutern) andere Antworten) glauben, dass dies auf die einzigartigen technischen Herausforderungen zurückzuführen ist. Es besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass es sich um körperliche Einschränkungen handelt, von denen wir keine Ahnung haben. Wenn dies jedoch der Fall ist, sollten wir es angesichts des derzeitigen Fortschritts spätestens in ein paar Jahren wissen.

Was ist mein Punkt hier?

• Ich argumentierte, dass der Grund, warum wir noch keinen MU5-Quantencomputer sehen, auch in der Tatsache liegt, dass das Gebiet noch nicht so alt ist und bis vor kurzem nicht wirklich so viel Aufmerksamkeit erregt hat.
• Ich behaupte, aus heutiger Sicht schien es, dass klassische Computer sehr schnell sehr gut wurden, aber dies vernachlässigt Jahrzehnte früherer Arbeiten, bei denen Entwicklung und Wachstum nicht so schnell zu sein schienen.
• Ich behaupte, wenn Sie glauben (wie fast jeder auf dem Gebiet), dass die anfänglichen technischen Probleme von Quantencomputern schwerer sind als die von klassischen Computern, dann sehen Sie eine sehr viel vergleichbare Forschungs- und Innovationstrajektorie wie bei einem der klassischen Computer . Natürlich sind sie etwas anders, aber die Grundideen, wie es geht, sind ähnlich.

Um einen Teil der Frage zu beantworten: "Werde ich jemals einen Quantencomputer kaufen?" Usw. Ich denke, es gibt ein grundlegendes Missverständnis.

Quantum Computing ist nicht nur klassisches, sondern auch schnelleres Computing. Ein Quantencomputer löst in kurzer Zeit bestimmte Probleme, die ein klassischer Supercomputer tausend Jahre dauern würde. Das ist keine Übertreibung. Aber normale Arten des Rechnens, das Hinzufügen von Zahlen, das Verschieben von Bits für Grafiken usw. Dies werden immer noch nur klassische Computer sein.

Wenn die Technologie jemals miniaturisiert werden könnte (ich weiß nicht), könnte es sich eher um eine MMU oder eine Grafikkarte handeln. Ein zusätzliches Feature zu Ihrem klassischen Computer, kein Ersatz. Auf die gleiche Weise kann Ihr Computer mit einer High-End-Grafikkarte Dinge erledigen, die er (in angemessener Zeit) nicht mit der Haupt-CPU erledigen kann.

Ich empfehle Ihnen , zumindest scannen vielleicht den ersten Absatz der „ Principles of Operation “ auf der Quanten - Computing Wikipedia - Seite.

Wenn Sie sich die Frage stellen, ob es sich um ein "Pie in the Sky" handelt, kommt es eher darauf an, welche Versprechungen Ihrer Meinung nach Quantentechnologien zu erfüllen versuchen. Und das hängt davon ab, wen die Leute versprechen.

Überlegen Sie, warum Sie sich überhaupt der Quantenberechnung bewusst sind, da es noch nicht gelungen ist, Geräte (oder fairer gesagt, nicht sehr viele Geräte ) herzustellen, die muskulöser Computerhardware ähneln. Woher hören Sie davon, woher die Aufregung? Ich bin bereit zu wetten, dass selbst wenn Sie an jedem wissenschaftlichen Vortrag über Quantencomputer teilnehmen, zu dem Sie persönlich fähig sind, nicht sehr viel von dem, was Sie über Quantencomputer hören, von Wissenschaftlern kommt. Wahrscheinlich hören Sie viel über Quantencomputer aus Quellen, die mehr an Aufregung als an Fakten interessiert sind.

Es gibt einige Unternehmensquellen, die mehr oder weniger grandiose Behauptungen darüber aufstellen, was ihre Quantenhardware leisten kann oder kann. und es gibt seit weit über einem Jahrzehnt. In der Zwischenzeit gibt es eine große Gemeinschaft von Menschen, die lediglich versucht haben, vorsichtige Fortschritte zu erzielen und nicht zu viel Energie in Versprechungen zu stecken, die sie nicht einlösen können. Von wem wirst du mehr gehört haben?

Aber selbst wenn man diese einräumt, sind die Parteien, die für die Begeisterung für Quantenberechnungen am meisten verantwortlich sind, bestimmte Arten von Magazinen und Websites von besonderem Interesse, die als Informationsquellen wie Waffelverkäufer auf dem Markt aussehen: Sie handeln eher mit süßen, dampfigen Aromen als mit etwas anderem Substanz und Biss. Die aufmerksamkeitsstarke Werbebranche und nicht die akademische Welt sind der Hauptgrund, warum die Erwartungen an die Quantenberechnung so hoch sind. Sie kümmern sich im Prinzip nicht einmal um Quantenberechnung: Es ist eine von mehreren magischen Beschwörungen, mit denen sie die Menge in Erstaunen versetzen, Träume von Kuchen am Himmel hervorrufen und in der Zwischenzeit von einer anderen Firma Geld für die bloße Möglichkeit verdienen, dass eine Anzeige wurde für eine halbe Sekunde gesehen. DasDie Industrie ist sehr stark im Verkauf von Luftgebäck engagiert, sowohl an ihre Kunden als auch an ihr Publikum. Aber heißt das, dass die Welt den fliegenden Feigenwürfeln jener verdankt, die tatsächlich an Quantentechnologien arbeiten? Es ist schwer genug, die Dinge zu erreichen, die wir für möglich halten - die bescheidener sind, sich aber dennoch lohnen.

Unter meinen akademischen Kollegen (theoretische Informatiker und theoretische Physiker) ist die offensichtliche Fehlinformation über die Quantenberechnung in der Öffentlichkeit eine Quelle erheblicher Frustration. Die meisten von uns glauben, dass es möglich sein wird, einen Quantencomputer zu bauen, und die meisten, die dies auch tun, glauben, dass dies erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben wird. Aber keiner von uns erwartet, dass es die Welt in fünf bis zehn Jahren auf den Kopf stellen würde, und wir haben auch nicht erwartet, dass es in den letzten fünfzehn Jahren in Mode gekommen ist, zu sagen, dass wir massive Quantencomputer haben würden fünf bis zehn Jahre ". Ich habe immer darauf hingewiesen, dass ich hoffe, die Auswirkungen in meinem Leben zu sehen, und die jüngsten Aktivitäten haben mich dazu veranlasst, sie innerhalb von zwanzig zu sehen - aber selbst dann werden Sie nicht in den Laden gehen, um eine zu kaufen.

Keiner von uns erwartet auch nicht, dass Sie das Problem des Handlungsreisenden oder ähnliches auf einfache Weise lösen können. In der Lage zu sein, Probleme in der Quantenchemie und in Quantenmaterialien zu analysieren, ist die ursprüngliche und kurzfristig immer noch beste, prospektive Anwendung der Quantenberechnung, und sie könnte dort revolutionär sein. und vielleicht können wir langfristig robuste und signifikante Verbesserungen in der Praxis für Optimierungsprobleme liefern. (D-Wave behauptet, dass sie dies bereits in der Praxis mit ihren Maschinen tun können: Die Jury ist unter Wissenschaftlern immer noch uneins, ob diese Behauptung berechtigt ist.)

Der Teufel dabei ist, dass man, um zu erklären, was man von der Theorie und Entwicklung der Quantenberechnung erwarten kann, ein wenig Quantenmechanik erklären muss. Dies ist keine einfache Sache, und wie bei allem, was kompliziert ist, gibt es in der größeren Welt wenig Geduld für ein differenziertes Verständnis, insbesondere wenn in sieben Fällen "alternative Fakten" in Form eines "Yakawow" -Hypes mit Bonbongeschmack stark im Kommen sind Liga Stiefel.

Die Wahrheit - darüber, was Quantenberechnung leisten kann und dass es wahrscheinlich nicht möglich ist, sich in die ganze Welt zu teleportieren oder das Welthunger- oder Airline-Chaos sofort zu lösen - ist langweilig. Bedeutende Fortschritte in der Chemie und in den Materialwissenschaften sind dies jedoch nicht. Ganz zu schweigen von Anwendungen, die noch nicht entwickelt wurden: Wie einfach lässt sich eine Extrapolation von getriebebasierten Computern durchführen, um Steuern oder Logarithmentabellen für den Flugzeugentwurf zuverlässig zu berechnen ?

Die Zeitachse der klassischen Computertechnologie reicht weit vor dem 19. Jahrhundert. Wir haben eine Vorstellung davon, wie wir versuchen sollen, diesen Weg mit Quantentechnologien neu zu beschreiten, und wir haben eine Vorstellung davon, welche Arten von Dividenden möglich sind, wenn wir dies tun. Aus diesem Grund hoffen wir, die Entwicklung zur nützlichen Computertechnologie in einer viel schnelleren Zeitspanne als in den über 370 Jahren von Pascals Addierern bis zur Moderne nachvollziehen zu können. Aber es wird nicht ganz so schnell gehen, wie es einige Leute versprochen haben, insbesondere diejenigen, die nicht dafür verantwortlich sind, diese "Versprechen" zu erfüllen.

Einige Bemerkungen.

" Wo ist der Paralleladdierer? "

• Wir haben keine großen Geräte, die die Addition durch Quantencomputer ausführen, aber wir haben einige Leute, die an schnellen Additionsschaltungen in Quantencomputern arbeiten - einige der Aufgaben von Quantencomputern würden konventionellere Operationen mit Daten in Überlagerung beinhalten.

" Wo ist das Äquivalent von Atlas oder dem MU5? "

• Um ehrlich zu sein, arbeiten wir immer noch an dem ersten zuverlässigen Quantenanalogon von Pascals Addierer. Ich bin zuversichtlich, dass der Ansatz des NQIT-Projekts (Offenlegung: Ich bin daran beteiligt, aber nicht als Experimentator), kleine, hochwertige Module herzustellen, die eine Verstrickung austauschen können, ein Weg zur schnellen Skalierung über die Massenproduktion sein wird der Module, in diesem Fall könnten wir in wenigen Jahren von Pascals Addierer zum Collosus, zum Atlas und darüber hinaus übergehen. Aber nur die Zeit wird es zeigen.

" Es sieht so aus, als wären sie noch nicht einmal auf den Beinen. In Kürze werden Sie in PC World keine mehr kaufen. "

• Das ist völlig richtig. Wenn Sie jedoch jemals aufgefordert wurden, etwas anderes zu erwarten, liegt dies wahrscheinlich eher an PC World (oder an der fairen Konkurrenz von PC World auf dem Markt für Ihr Abonnementgeld als Tech-Enthusiast) als an unserer. Jeder verantwortungsbewusste Forscher würde Ihnen sagen, dass wir uns sehr bemühen, die ersten ernsthaften Prototypen herzustellen.

" Wirst du jemals in der Lage sein, einen Quantencomputer in PC World zu kaufen? "

• Werden Sie jemals in der Lage sein, einen Cray in PC World zu kaufen? Würdest du gerne? Vielleicht nicht. Aber Ihre Universität möchte vielleicht, und seriöse Unternehmen möchten vielleicht. Darüber hinaus gibt es wilde Spekulationen - ich sehe nicht, wie ein Quantencomputer die Textverarbeitung verbessern könnte. Andererseits bezweifle ich, dass Babbage sich jemals vorgestellt hat, dass irgendetwas, was mit seiner Difference Engine vergleichbar ist, zum Verfassen von Briefen verwendet werden würde.

TL; DR : Ich arbeite seit ungefähr 15 Jahren an der Theorie der Quantencomputer. Ich habe nichts überzeugendes gesehen, um zu sagen, dass sie nicht funktionieren werden. Natürlich ist der einzige wirkliche Beweis, dass sie arbeiten können, eine zu machen. Es passiert jetzt. Was ein Quantencomputer jedoch leistet und warum wir es wollen, stimmt nicht mit der öffentlichen Wahrnehmung überein.

Ist Quanten-Computing nur ein Paradebeispiel? Ist alles nur Marmeladen-Morgen-Werbung für ein leichtgläubiges Publikum?

Als "Quantenquacksalber" (danke dafür) werde ich Ihnen natürlich sagen, dass alles realistisch ist. Aber die Theorie ist solide. Solange die Quantenmechanik korrekt ist, ist die Theorie der Quantenberechnung korrekt, und es gibt effiziente Algorithmen für Quantencomputer, für die wir nicht wissen, wie die Lösung auf einem klassischen Computer effizient berechnet werden kann. Aber ich glaube nicht, dass irgendetwas, was ich hier schreibe, einen Skeptiker überzeugen kann. Entweder muss man sich hinsetzen und alle Details selbst lernen oder abwarten.

Natürlich ist die Quantenmechanik nur eine Theorie, die jederzeit abgelöst werden kann, aber ihre Vorhersagen wurden bereits angewendet, um die Welt um uns herum zu erklären. Quantencomputer treiben die Theorie nicht in ein ungeprüftes Regime, in dem wir möglicherweise auf unerwartete Ergebnisse hoffen (was die Physiker wirklich erhoffen, denn hier beginnt man, Hinweise auf die neue Physik zu erkennen). Beispielsweise wird die Quantenmechanik bereits auf Systeme mit kondensierter Materie angewendet, die aus weit mehr Bestandteilen bestehen, als wir in einem Kurzzeitquantencomputer von Qubits sprechen. Es ist nur so, dass wir ein beispielloses Maß an Kontrolle über sie brauchen. Einige Leute denken, sie haben Argumente dafür, warum ein Quantencomputer nicht funktioniert, aber ich habe in den Argumenten, die ich gelesen habe, nichts besonders Überzeugendes gefunden.

Ist das alles Hype und heiße Luft?

Es gibt viel Hype um Quantencomputer. Ich würde sagen, dass dies aus zwei Hauptquellen stammt:

• die populäre Darstellung des Quantencomputers in den Mainstream-Medien und der Populärkultur (zB Science-Fiction-Bücher). Wenn Sie jemanden fragen, der aktiv an der Quantenberechnung arbeitet, sind sich alle einig, dass die Quantenberechnung schlecht dargestellt ist, und den Eindruck erwecken, dass es sich um eine universelle Lösung handelt, mit der alles schneller abläuft, was zumindest vorerst nicht der Fall ist. Es gab einige morgendliche Werbefilme, die einer leichtgläubigen Öffentlichkeit angeboten wurden, aber dies wurde eher durch den Versuch unternommen, das Geschehen zu vereinfachen, hauptsächlich durch nicht spezialisierte Vermittler.

• Forscher selbst. In den letzten 20 (ish) Jahren haben die Menschen versprochen, dass das Quantencomputing kurz vor dem Horizont steht und niemals wirklich Realität wird. Es ist vernünftig, dass Beobachter an diesem Punkt die Nase voll haben. Aus meiner Sicht ist es jedoch so, dass viele Leute, die behaupten, auf Quantencomputer hinzuarbeiten, dies nicht getan haben. Da die Förderer zunehmend höhere Anforderungen an das "Warum" der Forschung und die Gewährleistung der "Wirkung" stellen, ist das Quantencomputing für viele Experimentatoren zur Anlaufstelle geworden, auch wenn sie nicht wirklich daran interessiert sind, irgendetwas für einen Quantencomputer zu tun. Wenn es eine Möglichkeit gegeben hat, das zu verdrehen, was sie tun, so dass es für das Quantencomputing relevant klingt, haben sie dazu tendiert. Es bedeutet nicht, dass Quantencomputing kann ' Es war einfach nicht so sehr ein Fokus, wie es impliziert wurde. Nehmen Sie auf einer etwas anderen Ebene die Explosion der Quanteninformationstheorie. So wenige Theoretiker haben sich aktiv mit der Theorie der Quantencomputer und ihrer Funktionsweise befasst (das heißt nicht, dass sie keine interessanten Dinge getan haben).

Wir stoßen jetzt jedoch auf eine kritische Masse, bei der plötzlich große Forschungsinvestitionen in die Herstellung von Quantencomputern und die damit verbundene Technologie getätigt werden und sich die Dinge in Bewegung setzen. Wir scheinen gerade den Punkt zu treffen, mit Geräten mit etwa 50 Qubits könnten wir in der Lage sein, "Quantenüberlegenheit" zu erreichen - indem wir Berechnungen durchführen, deren Ergebnisse wir auf einem klassischen Computer nicht wirklich verifizieren können. Ein Teil des Problems bei der Erreichung dieses Ziels war tatsächlich der zuvor erwähnte rasche Fortschritt des klassischen Rechnens. Angesichts des Fortschritts nach dem Moore'schen Gesetz, der zu einer exponentiell verbesserten klassischen Rechenleistung führt, ist dies ein ständig wechselnder Maßstab für das, was wir erreichen müssen, um zu überzeugen.

Quantencomputer zeigen keinen ähnlichen Fortschritt. Au contraire, es sieht so aus, als wären sie noch nicht einmal vom Boden aufgetaucht.

Der Punkt ist, es ist schwer zu tun, und es hat lange gedauert, bis die grundlegende Technologie richtig ist. Dies ist ein etwas unvollkommener Vergleich, aber nicht schlecht: Denken Sie an die Lithografieprozesse, die zur Herstellung von Prozessoren verwendet werden. Ihre Entwicklung war progressiv und machte immer kleinere Transistoren, aber der Fortschritt verlangsamte sich, da es immer schwieriger wurde, zum einen mit den Quanteneffekten umzugehen, die im Weg stehen. Andererseits versuchen Quantencomputer im Grunde genommen, diese ganze Sache der fortschreitenden Verbesserung zu übertreffen und direkt zum ultimativen Endergebnis zu gelangen: Einzelatomtransistoren (Art). Vielleicht gibt das einen Einblick in das, was die Experimentatoren versuchen, damit umzugehen?

Sie werden in Kürze keine in PC World kaufen. Wirst du jemals in der Lage sein?

Es ist nicht klar, dass du es überhaupt willst. Gegenwärtig erwarten wir, dass Quantencomputer für bestimmte, sehr spezifische Aufgaben nützlich sind. In diesem Fall stellen wir uns vielleicht ein paar leistungsstarke, zentralisierte Quantencomputer vor, die diese spezifischen Aufgaben erfüllen, und die meisten Leute werden mit klassischen Computern weitermachen. Da Sie jedoch Analogien zur Entwicklung klassischer Computer ziehen möchten, schrieb Sir Charles Darwin (Enkel des berühmten Naturforschers), Leiter des National Physical Laboratory in Großbritannien, laut Wikipedia im Jahr 1946:

Es ist sehr wahrscheinlich, dass ... eine Maschine ausreicht, um alle vom ganzen Land geforderten Probleme zu lösen

(Varianten davon werden Leuten wie Watson zugeschrieben). Dies ist ganz klar nicht der Fall. Die Realität war, dass, sobald Computer allgemein verfügbar wurden, weitere Verwendungen für sie gefunden wurden. Es könnte für Quantencomputer dasselbe sein, ich weiß es nicht. Einer der anderen Gründe, warum Sie keinen Quantencomputer in einem Geschäft kaufen würden, ist seine Größe. Nun, die tatsächlichen Geräte sind normalerweise winzig, aber die gesamte Schnittstellenausstattung und insbesondere die Kühlung beanspruchen den gesamten Raum. Wenn sich die Technologie verbessert, kann sie bei immer höheren Temperaturen betrieben werden (sehen Sie sich zum Beispiel den Fortschritt der Hochtemperatursupraleitung im Vergleich zu den ursprünglichen Temperaturen an, die erreicht werden mussten), wodurch sich der Kühlungsbedarf verringert.

Warum würden Sie erwarten, dass zwei verschiedene Technologien mit der gleichen Geschwindigkeit voranschreiten?

Einfach ausgedrückt, können Quantencomputer immens leistungsfähiger sein, sind aber immens schwerer zu bauen als klassische Computer. Die Theorie ihrer Funktionsweise ist komplizierter und basiert auf der neueren Physik. Es gibt größere theoretische Fallstricke und Hindernisse, die ihre Vergrößerung verhindern, und ihr Design erfordert viel ausgefeiltere Hardware, die schwieriger zu konstruieren ist.

Nahezu jeder Entwicklungsschritt eines Quantencomputers ist mit dem eines klassischen Computers nicht vergleichbar. Also eine Frage an dich; Warum sie vergleichen?

Sehen Sie sich die Zeitleiste auf Wikipedia an und fragen Sie sich, wo sich der Paralleladdierer befindet.

Mir scheint, dass Ihre Antwort in Ihrer Frage liegt. Ein Blick auf die Wikipedia-Zeitleiste zeigt nur sehr langsame Fortschritte von 1959 bis etwa 2009. Bis wir von Null auf Eins gingen, handelte es sich hauptsächlich um theoretische Arbeiten .

In den nur neun Jahren seitdem hat sich der Fortschritt enorm beschleunigt, von 2 Qubits auf 72 und wenn Sie dwave bis zu 2000 Qubits einbeziehen. Und es gibt einen, der gerade in der Cloud arbeitet, auf den wir Zugriff haben. Stellen Sie den Fortschritt der letzten 60 Jahre grafisch dar, und ich bin sicher, dass Sie in der Kurve, die Sie zu wünschen scheinen, genau das Knie sehen werden, und eine Widerlegung Ihrer Aussage .

Wo ist das Äquivalent von Atlas oder dem MU5?

Ist das das Maß, auf das sich Ihre Frage stützt?

Wirst du jemals in der Lage sein? Ist das alles Hype und heiße Luft? Ist Quanten-Computing nur ein Paradebeispiel? Ist alles nur Marmeladen-Morgen-Werbung für ein leichtgläubiges Publikum?

Ja. Nein nein Nein.

Wenn nein, warum nicht?

Denn wie Ihre referenzierte Timeline zeigt, machen die Menschen erhebliche Fortschritte in Bezug auf die Anzahl und Stabilität von Qubits sowie in Bezug auf Quantenalgorithmen.

Die Leute zu bitten, die Zukunft vorherzusagen, war schon immer mit Misserfolgen behaftet, weshalb die meisten dieser Websites keine auf Meinungen basierenden Fragen zulassen.

Möglicherweise könnten spezifischere (nicht meinungsbasierte) Fragen besser zur Beantwortung Ihrer Fragen dienen.

Die traurige Wahrheit für die meisten Leute hier ist, dass John Duffield (der Fragesteller) Recht hat.

Es gibt keinen Beweis dafür, dass ein Quantencomputer jemals irgendeinen Wert haben wird.

Für die Unternehmen, die in Quantencomputer investiert haben (IBM, Google, Intel, Microsoft usw.), lohnt es sich jedoch, einen solchen zu entwickeln, denn wenn sie erfolgreich sind, können sie einige Probleme exponentiell schneller lösen als klassische Computer, und wenn sie nicht erfolgreich sind, wurde keine Delle in die Milliarden von Dollar gesteckt, die sie zur Verfügung haben.

Der Versuch, nützliche Quantencomputer zu bauen, die man bisher als Fehlschlag bezeichnen kann, hat zumindest zu Fortschritten beim Verständnis der Supraleiter, der Photonik und sogar der Quantentheorie geführt. Eine Menge Mathematik zur Analyse der Quantenmechanik wurde im Kontext der Quanteninformationstheorie entwickelt.

Und schließlich könnten Quantencomputer niemals marktfähig sein, aber Quantenkommunikationsgeräte von Toshiba, HP, IBM, Mitsubishi, NEC und NTT sind bereits auf dem Markt.

Fazit: Ich stimme John Duffield zu, dass Quanten-Computing niemals irgendeinen Wert haben kann. Die Quantenkommunikation ist jedoch bereits marktfähig, und für unsere (bisher) gescheiterten Versuche, das Quantencomputing Wirklichkeit werden zu lassen, wurden viele neue wissenschaftliche, mathematische und technische Erkenntnisse (z. B. für Supraleiter) entwickelt.

Wie bei allen guten Fragen geht es darum, was Sie meinen. Als CTO eines Start-ups, das einen Quantencomputer entwickelt, muss ich nachdrücklich ablehnen, dass Quantencomputing nur ein Paradebeispiel ist.

Aber dann behaupten Sie: "Sie werden in Kürze keine in PC World kaufen." Dies stimme ich nicht nur zu, sondern würde auch darauf hinweisen, dass Sie dies in absehbarer Zeit nicht können, was so nahe an "nie" liegt, wie Sie es von mir erwarten.

Warum ist das so? Bis zum ersten Punkt ist es gültig, weil es keine technischen Gründe gibt, die uns davon abhalten, einen Quantencomputer zu bauen, und tatsächlich gibt es keine Gründe, die uns weiterhin davon abhalten, einen Quantencomputer für viel länger zu bauen. Zum zweiten liegt es daran, dass es schwieriger ist, einen Quantencomputer als einen klassischen Computer zu bauen (Sie benötigen spezielle Bedingungen wie extrem kalte Temperaturen oder ein sehr gutes Vakuum und sie sind langsamer), aber es gibt nur bestimmte Probleme, die Quantencomputer übertreffen. Sie benötigen keine Laptops, um Medikamente durch Berechnen oder Aufbrechen veralteter Krypto zu entdecken oder die Invertierung bestimmter Funktionen zu beschleunigen (vor allem nicht, wenn sie mit einem Gerät im Schrankformat geliefert werden), aber Sie benötigen einen oder mehrere Supercomputer, um dies zu tun.

Warum kann ich sagen, dass es keine technischen Probleme gibt, die (große, universelle) Quantencomputer verhindern? Beachten Sie, dass ein einziges Beispiel ausreichen würde. Daher wähle ich die Technologie, die ich am besten kenne und die ich professionell verfolge. Beim Ionenfallen-basierten Quanten-Computing wurden alle erforderlichen Bestandteile nachgewiesen: Es gibt universelle Quantengatter mit hoher Wiedergabetreue. Es gibt erfolgreiche Versuche, Ionen mit geeigneter Leistung zu bewegen (sie von Ionenketten zu trennen und neu zu kombinieren, sie entlang von Pfaden und durch Kreuzungen von Pfaden zu bewegen). Außerdem ist das Initialisieren, Messen usw. mit einer Genauigkeit möglich, die mit Toroperationen vergleichbar ist. Das einzige, was verhindert, dass große, universelle Quantencomputer auf Ionenfallenbasis gebaut werden, ist, die Wissenschaftler, die die einzelnen Beiträge geleistet haben, mit den richtigen Ingenieuren zusammenzubringen.

Ich möchte Ihnen sogar sagen, wie man es technisch in Kürze schaffen könnte, aber ich fürchte, ich würde unseren Patentanwalt (und meinen CEO und alle anderen in der Firma) ein bisschen verrückt machen. Worauf es ankommt, ist Folgendes:

Wenn Quanten-Computing in der Tat ein Paradebeispiel ist, dann werden die Menschen es in Zukunft rückblickend als eine solche niedrig hängende Frucht wahrnehmen, wie die ersten Mikrocomputer.

Die Entwicklung eines universellen Quantencomputers mit vielen Qubits birgt viele technische Herausforderungen, wie in den anderen Antworten ausgeführt. Siehe auch diesen Übersichtsartikel . Es kann jedoch Umgehungsmöglichkeiten geben, um bestimmte nicht-triviale Quantencomputerergebnisse zu erhalten, bevor wir zum ersten wirklich universellen Quantencomputer gelangen.

Beachten Sie, dass es klassische Computergeräte schon lange vor der Herstellung des ersten Universalcomputers gab. Um beispielsweise Differentialgleichungen numerisch zu lösen, können Sie einen Stromkreis aus Kondensatoren, Spulen und Widerständen so aufbauen, dass die Spannung zwischen bestimmten Punkten dieselbe Differentialgleichung erfüllt wie diejenige, die Sie lösen möchten. Diese Methode war in der Astrophysik vor dem Aufkommen der digitalen Computer populär.

Beachten Sie, dass Feynman, als er auf die Idee des Quantencomputers kam, die Schwierigkeit zugrunde legte, die quantenmechanischen Eigenschaften bestimmter physikalischer Systeme mit gewöhnlichen Computern zu simulieren. Er drehte das Argument um, indem er feststellte, dass das System selbst das mathematische Problem löst, das mit normalen Computern schwer zu lösen ist. Aufgrund der quantenmechanischen Natur des Systems kann man sich daher überlegen, ob man quantenmechanische Geräte konstruieren kann, die in der Lage sind, Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Computern schwer zu lösen sind.