Wenn Wissenschaftler und Ingenieure auf schwierige Probleme stoßen, wenden sie sich an Supercomputer. Dabei handelt es sich um sehr große klassische Computer, oft mit Tausenden von klassischen CPU- und GPU-Kernen, die in der Lage sind, sehr große Berechnungen und fortgeschrittene künstliche Intelligenz durchzuführen. Doch selbst Supercomputer sind binärcodebasierte Maschinen, die auf der Transistortechnologie des 20. Jahrhunderts beruhen. Sie haben Mühe, bestimmte Probleme zu lösen.

Wenn ein Supercomputer nicht mehr funktioniert, liegt das wahrscheinlich daran, dass die große klassische Maschine ein Problem mit einem hohen Grad an Komplexität lösen soll. Wenn klassische Computer ausfallen, liegt das oft an der Komplexität.

Komplexe Probleme sind Probleme mit vielen Variablen, die auf komplizierte Weise interagieren. Die Modellierung des Verhaltens einzelner Atome in einem Molekül ist ein komplexes Problem, da alle verschiedenen Elektronen miteinander wechselwirken. Die Identifizierung subtiler Betrugsmuster bei Finanztransaktionen oder neuer Physik in einem Supercollider sind ebenfalls komplexe Probleme. Es gibt einige komplexe Probleme, von denen wir nicht wissen, wie sie mit klassischen Computern in irgendeinem Maßstab gelöst werden können.

Die reale Welt basiert auf der Quantenphysik. Computer, die Berechnungen unter Verwendung der Quantenzustände von Quantenbits durchführen, sollten in vielen Situationen unsere besten Werkzeuge sein, um dies zu verstehen.

Schauen wir uns ein Beispiel an, das zeigt, wie Quantencomputer dort erfolgreich sein können, wo klassische Computer versagen:

Ein klassischer Computer könnte sich hervorragend für schwierige Aufgaben wie das Durchsuchen einer großen Moleküldatenbank eignen. Er hat jedoch Schwierigkeiten, komplexere Probleme zu lösen, beispielsweise zu simulieren, wie sich diese Moleküle verhalten.

Wenn Wissenschaftler heute wissen wollen, wie sich ein Molekül verhält, müssen sie es synthetisieren und in der realen Welt damit experimentieren. Wenn sie wissen möchten, wie sich eine geringfügige Änderung auf das Verhalten auswirken würde, müssen sie normalerweise die neue Version synthetisieren und ihr Experiment noch einmal durchführen. Dies ist ein teurer und zeitaufwändiger Prozess, der den Fortschritt in so unterschiedlichen Bereichen wie der Medizin und dem Halbleiterdesign behindert.

Ein klassischer Supercomputer könnte versuchen, molekulares Verhalten mit „roher Gewalt“ zu simulieren, indem er seine vielen Prozessoren nutzt, um jede mögliche Art und Weise zu erforschen, wie sich jeder Teil des Moleküls verhalten könnte. Aber wenn er sich über die einfachsten, geradlinigsten verfügbaren Moleküle hinaus bewegt, gerät der Supercomputer ins Stocken. Kein Computer verfügt über das Arbeitsgedächtnis, um alle möglichen Permutationen des molekularen Verhaltens mit allen bekannten Methoden zu verarbeiten.

Quantenalgorithmen verfolgen einen neuen Ansatz für diese Art von komplexen Problemen und schaffen multidimensionale Rechenräume. Dies erweist sich als eine viel effizientere Methode zur Lösung komplexer Probleme wie chemische Simulationen.

Wir haben keine gute Möglichkeit, diese Rechenräume mit klassischen Computern zu erzeugen und ihre Nützlichkeit ohne Quantenberechnung ist eingeschränkt. Industriechemiker suchen bereits nach Möglichkeiten, Quantenmethoden in ihre Arbeit zu integrieren. Dies ist nur ein Beispiel. Ingenieurbüros, Finanzinstitute, globale Schifffahrtsunternehmen und andere erforschen Anwendungsfälle, in denen Quantencomputer wichtige Probleme in ihren Bereichen lösen könnten. Eine Explosion der Vorteile aus der Quantenforschung und -entwicklung zeichnet sich ab. Mit der Weiterentwicklung von Quantenhardware und Quantenalgorithmen sollten viele große, wichtige Probleme wie die molekulare Simulation gelöst werden können.

Ein IBM Quantum-Prozessor ist ein Wafer, der nicht viel größer ist als der in einem Laptop. Und ein Quantenhardwaresystem hat etwa die Größe eines Autos und besteht hauptsächlich aus Kühlsystemen, um den supraleitenden Prozessor auf seiner extrem kalten Betriebstemperatur zu halten.

Ein klassischer Prozessor verwendet klassische Bits, um seine Operationen auszuführen. Ein Quantencomputer verwendet Qubits (CUE-bits), um multidimensionale Quantenalgorithmen auszuführen.

Supraleiter

Ihr Desktop-Computer verwendet wahrscheinlich einen Lüfter, um ausreichend Kälte für den Betrieb zu erzeugen. Unsere Quantenprozessoren müssen sehr kalt sein – etwa ein Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt –um eine „Dekohärenz“ zu vermeiden oder ihre Quantenzustände beizubehalten. Um dies zu erreichen, verwenden wir unterkühlte Superflüssigkeiten. Bei diesen extrem niedrigen Temperaturen zeigen bestimmte Materialien einen wichtigen quantenmechanischen Effekt: Elektronen bewegen sich ohne Widerstand durch sie hindurch. Das macht sie zu „Supraleitern“.  

Wenn Elektronen Supraleiter passieren, treffen sie aufeinander und bilden „Cooper-Paare“. Diese Paare können durch einen Prozess, der als Quantentunneln bekannt ist, eine Ladung über Barrieren oder Isolatoren transportieren. Zwei Supraleiter, die auf beiden Seiten eines Isolators angeordnet sind, bilden einen Josephson-Kontakt.

Steuerung

Unsere Quantencomputer verwenden Josephson-Kontakte als supraleitende Qubits. Indem wir Mikrowellenphotonen auf diese Qubits abfeuern, können wir ihr Verhalten steuern und sie dazu bringen, einzelne Einheiten von Quanteninformationen zu speichern, zu ändern und auszulesen.

Überlagerung

Ein Qubit selbst ist nicht sehr nützlich. Aber es kann einen wichtigen Trick anwenden: Es kann die Quanteninformation, die es enthält, in einen Überlagerungszustand versetzen, der eine Kombination aller möglichen Konfigurationen des Qubits darstellt. Gruppen von überlagerten Qubits können komplexe, mehrdimensionale Rechenräume erzeugen. Komplexe Probleme können in diesen Räumen auf neue Weise dargestellt werden.

Verschränkung

Quantenverschränkung ist ein Effekt, der das Verhalten zweier verschiedener Dinge korreliert. Physiker haben herausgefunden, dass sich Änderungen an einem Qubit direkt auf das andere auswirken, wenn zwei Qubits miteinander verschränkt sind.

Interferenz

In einer Umgebung verschränkter Qubits, die in einen Überlagerungszustand gebracht werden, gibt es Wellen von Wahrscheinlichkeiten. Dies sind die Wahrscheinlichkeiten der Ergebnisse einer Messung des Systems. Diese Wellen können sich gegenseitig verstärken, wenn viele von ihnen bei einem bestimmten Ergebnis ihren Höhepunkt erreichen, oder sie können sich gegenseitig aufheben, wenn Spitzen- und Tiefpunkte zusammenwirken. Dies sind beide Formen der Interferenz.

Eine Berechnung auf einem Quantencomputer funktioniert, indem sie eine Überlagerung aller möglichen Rechenzustände vorbereitet. Ein vom Benutzer vorbereiteter Quantenschaltkreis nutzt nach einem Algorithmus selektiv Interferenzen an den Komponenten der Überlagerung aus. Viele mögliche Ergebnisse werden durch Interferenzen zunichte gemacht, während andere verstärkt werden. Die verstärkten Ergebnisse sind die Lösungen für die Berechnung.

Die Quantencomputer von IBM werden mit Qiskit programmiert, unserem Open-Source-Quanten-SDK auf Python-Basis. Qiskit verfügt über Module, die Anwendungen in den Bereichen Finanzen, Chemie, Optimierung und maschinelles Lernen abdecken.

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Qiskit Runtime bietet eine Ausführungsumgebung für die Verknüpfung von Quantenschaltungen mit klassischer Verarbeitung, wodurch die Ausführung bestimmter Quantenprogramme nativ beschleunigt wird. Das bedeutet schnellere Iteration, geringere Latenz und mehr ungehinderte Rechenzeit auf den weltweit führenden Quantensystemen: Das cloudbasierte Ausführungsmodell von Qiskit Runtime zeigte eine 120-fache Beschleunigung bei der Simulation des molekularen Verhaltens.