Beim Quantencomputing handelt es sich um eine schnell wachsende Technologie, die mithilfe der Gesetze der Quantenmechanik Probleme löst, die für klassische Computer zu komplex sind.
Heute wird mit IBM Quantum echte Quanten-Hardware – ein Tool, dessen Möglichkeiten Wissenschaftler erst vor drei Jahrzehnten zu erkennen begannen – für Tausende von Entwicklern verfügbar. Unsere Ingenieure stellen in regelmäßigen Abständen immer leistungsfähigere supraleitende Quantenprozessoren bereit sowie entscheidende Fortschritte in Software und klassischer Quantenorchestrierung. Diese Arbeit verbessert die erforderliche Geschwindigkeit und Kapazität von Quantencomputern, um die Welt zu verändern.
Diese Maschinen unterscheiden sich stark von den klassischen Computern, die es seit mehr als einem halben Jahrhundert gibt. Hier finden Sie eine Einführung in diese transformative Technologie.
Für einige Probleme sind Supercomputer gar nicht so super.
Wenn Wissenschaftler und Ingenieure auf schwierige Probleme treffen, wenden sie Supercomputer an. Dabei handelt es sich um große, klassische Computer, häufig mit Tausenden von klassischen CPU- und GPU-Kernen. Aber auch Supercomputer quälen sich mit dem Lösen einer bestimmten Art von Problemen.
Wenn ein Supercomputer nicht weiterkommt, liegt das wahrscheinlich daran, dass diese große klassische Maschine ein
Problem von hoher Komplexität lösen sollte. Wenn klassische Computer versagen, liegt das oft an der Komplexität
Komplexe Probleme sind Probleme mit vielen Variablen, die auf komplizierte Weise zusammenwirken. Beispielsweise ist die Modellierung des Verhaltens
einzelner Atome in einem Molekül ein komplexes Problem, da die verschiedenen Elektronen
miteinander interagieren. Die Ermittlung von idealen Routen für einige hundert Tanker in einem globalen Schifffahrtsnetz ist
ebenfalls komplex.
Schauen wir uns ein Beispiel an, das zeigt, wie Quantencomputer erfolgreich sein können, wo klassische Computer versagen:
Ein Supercomputer kann für schwierige Aufgaben wie das Durchsuchen einer großen Datenbank mit Proteinsequenzen hervorragend geeignet sein, aber er wird Schwierigkeiten damit haben, die subtilen Muster in diesen Daten zu erkennen, die bestimmen, wie sich diese Proteine verhalten.
Bei Proteinen handelt es sich um lange Ketten aus Aminosäuren, die beim Falten in komplexe Formen zu nützlichen biologischen Maschinen werden. Herauszufinden, wie Proteine sich falten, ist ein Problem mit erheblichen Auswirkungen auf die Biologie und Medizin.
Ein klassischer Supercomputer könnte versuchen, ein Protein mit roher Gewalt zu falten und dabei mithilfe der vielen Prozessoren jede mögliche Art zur Faltung der chemischen Kette überprüfen, bevor er eine Antwort findet. Wenn die Proteinsequenz länger und komplexer wird, hängt sich der Computer auf. Eine Kette von 100 Aminosäuren könnte theoretisch auf eine von mehreren Billionen Arten gefaltet werden. Kein Computer hat den erforderlichen Arbeitsspeicher, um alle möglichen Kombinationen der einzelnen Faltungen zu verarbeiten.
Quantenalgorithmen nutzen einen völlig neuen Ansatz, um diese Arten von komplexen Problemen zu lösen. Dabei werden mehrdimensionale Räume erschaffen, in denen die Muster erkennbar werden, mit denen einzelne Datenpunkte verknüpft sind. Im Beispiel mit dem Problem der Proteinfaltung kann es sich bei diesem Muster um die Kombination der Faltungen handeln, für deren Erzeugung am wenigsten Energie erforderlich ist. Diese Kombination der Faltungen ist die Lösung des Problems.
Klassische Computer können diese Rechenräume nicht erzeugen und daher diese Muster nicht finden. Im Falle der Proteine gibt es bereits Quantenalgorithmen in einem frühen Stadium, die Faltungsmuster auf eine völlig neue und effizientere Weise finden können, ohne dass die arbeitsaufwendige Überprüfung von klassischen Computern erforderlich wird. Durch Leistungssteigerungen in der Quanten-Hardware und Fortschritte bei diesen Algorithmen können Probleme bei der Proteinfaltung in Angriff genommen werden, die für jeden Supercomputer zu komplex wären.
Quantencomputer sind kleine, elegante Maschinen, die weniger Energie als Supercomputer verbrauchen. Ein IBM Quantum-Prozessor ist ein Wafer, der nicht viel größer ist als der eines Laptops. Das Hardwaresystem eines Quantencomputers hat etwa die Größe eines Autos und besteht hauptsächlich aus Kühlsystemen, damit die ultrakalte Betriebstemperatur des supraleitenden Prozessors beibehalten wird.
Ein klassischer Prozessor verwendet Bits für die Ausführung seiner Operationen. Ein Quantencomputer verwendet Qubits (CUE-Bits), um mehrdimensionale Quantenalgorithmen zu auszuführen
Supraflüssigkeiten
In Ihrem Desktopcomputer wird wahrscheinlich ein Ventilator zur Abkühlung verwendet. Unsere Quantenprozessoren müssen sehr kalt sein – etwa ein hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Um dies zu erreichen, verwenden wir extrem gekühlte Supraflüssigkeiten, mit denen Supraleiter erzeugt werden.
Supraleiter
Bei diesen extrem niedrigen Temperaturen weisen bestimmte Materialien in unseren Prozessoren einen weiteren wichtigen quantenmechanischen Effekt auf: Elektronen bewegen sich ohne Widerstand durch sie hindurch. Dieser Effekt macht sie zu „Supraleitern“.
Wenn sich Elektronen durch Supraleiter hindurchbewegen, schließen sie sich zusammen und bilden „Cooper-Paare“. Diese Paare können eine Ladung über Barrieren oder Isolatoren hinweg transportieren. Dies geschieht in einem Prozess, der als Quantentunnel bezeichnet wird. Zwei Supraleiter, die auf jeweils einer Seite eines Isolators platziert werden, bilden einen Josephson-Übergang.
Kontrolle
In unseren Quantencomputern werden Josephson-Übergänge als supraleitende Qubits verwendet. Durch das Abfeuern von Mikrowellen-Photonen auf diese Qubits können wir ihr Verhalten steuern und sie dazu bringen, einzelne Einheiten von Quanteninformationen anzuhalten, zu ändern und herauszulesen.
Superposition
Ein Qubit an sich ist nicht sehr nützlich. Aber es kann einen wichtigen Trick ausführen: Die darin enthaltenen Quanteninformationen können im Zustand einer Überlagerung, der sogenannten Superposition, gehalten werden, was eine Kombination aller möglichen Konfiguration des Qubits darstellt. Gruppen von Qubits in einer Superposition können komplexe, mehrdimensionale Rechenräume erzeugen. Komplexe Probleme können in diesen Räumen in neuer Weise dargestellt werden.
Verschränkung
Bei der Verschränkung handelt es sich um einen quantenmechanischen Effekt, bei dem das Verhalten von zwei unterschiedlichen Dingen korreliert wird. Wenn zwei Qubits verschränkt werden, wirken sich Änderungen an einem Qubit direkt auf das andere Qubit aus. Quantenalgorithmen nutzen diese Beziehungen, um Lösungen für komplexe Probleme zu finden.
IBM Quantum ist weltweit führend in der Erstellung von Quanten-Hardware. Unsere Roadmap ist ein klarer, detaillierter Plan, um Quantenprozessoren zu skalieren, das Skalierungsproblem zu überwinden und die Hardware zu erstellen, die für den Quantenvorteil notwendig ist.
Aber ein Quantenvorteil wird nicht allein mit Hardware erreicht. IBM hat auch Jahre damit verbracht, die Software weiterzuentwickeln, die notwendig ist, um mit Quantencomputern nützliche Arbeit zu leisten. Wir haben das Qiskit SDK für Quantencomputing entwickelt. Es ist Open-Source-, Python-basiert und weltweit das am weitesten verbreitete SDK für Quantencomputing. Außerdem haben wir Qiskit Runtime entwickelt, das leistungsfähigste Quanten-Programmiermodell der Welt. (Weitere Informationen zu Qiskit und Qiskit Runtime sowie zu den ersten Schritten sind im nächsten Abschnitt zu finden.)
Das Erreichen eines Quantenvorteils erfordert neue Methoden zur Vermeidung von Fehlern, Erhöhung der Geschwindigkeit und Orchestrierung von Quanten- und klassischen Ressourcen. Die Grundlagen dieser Arbeit werden heute in Qiskit Runtime gelegt.
Erfahren Sie, wie Unternehmen mit IBM zusammenarbeiten, um die größten praktischen Herausforderungen von heute zu meistern.
Erfahren Sie mehr über die Mission von IBM Quantum, der Welt nützliches Quantencomputing zur Verfügung zu stellen.
Durch das Quantencomputing werden erstaunliche neue Möglichkeiten in vielen Forschungsdisziplinen eröffnet. Weltweit anerkannte Experten stellen sie Ihnen vor.
IBM Quantencomputer werden mit Qiskit (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) programmiert, unserem Open-Source-, Python-basierten SDK für Quantencomputing. Qiskit hat Module, die Finanzen, Chemie, Optimierung und maschinellem Lernen zugeordnet sind.
- Sehen Sie sich die Dokumentation (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) an, um schnell zu starten und mehr über unsere Suite von Entwicklertools zu erfahren.
- Erstellen Sie Code auf Forschungs- und Entwicklungsebene zur Ausführung auf Simulatoren oder echter Hardware.
- Werden Sie Teil unserer wachsenden Community mit über 400.000 Benutzern
Bereit für größere Workloads? Führen Sie Workloads im richtigen Maß aus – mit Qiskit Runtime, unserem Quanten-Programmiermodell zum effizienten Erstellen und Skalieren von Workloads. Mit Qiskit Runtime können Benutzer kundenspezifische, für Quantencomputing klassische Anwendungen mit einfachem Zugriff auf HPC-Hybrid-Berechnungen auf den leistungsstärksten Quantensystemen der Welt bereitstellen. Qiskit Runtime bietet eine Ausführungsumgebung für die Integration von Quantenschaltungen in klassische Verarbeitung, wodurch die Ausführung bestimmter Quantenprogramme nativ beschleunigt wird. Das bedeutet schnellere Iteration, reduzierte Latenz und mehr unbeschränkte Rechenzeit auf den weltweit führenden Quantensystemen: Das cloudbasierte Ausführungsmodell von Qiskit Runtime demonstrierte eine 120-fache Beschleunigung bei der Simulation molekularen Verhaltens.