NISQ-Geräte – Sind sie Quantencomputer oder noch nicht ganz? 

Inhaltsverzeichnis

1. Quantencomputer und NISQ-Geräte: Was ist der Unterschied? 
2. Quantencomputer: Warum können wir sie heute nicht bauen? 
3. Kann mein Unternehmen von der NISQ-Technologie profitieren? 
4. Was ist die Zukunft der NISQ-Geräte? 
5. Zusammenfassung 

Der Begriff NISQ ist relativ neu und wurde 2018 von Caltech-Professor John Preskill geprägt. Es bezieht sich auf die Ära des lauten Quantencomputers im mittleren Maßstab, die wir erleben und ist durch den aktuellen Stand der Quantenhardwareprozessoren gekennzeichnet. Derzeit werden diese Prozessoren als NISQ-Geräte bezeichnet, da sie nicht über alle Fähigkeiten eines voll funktionsfähigen Quantencomputers verfügen. Ein Noisy-Intermediate-Scale-Quantum (NISQ)-Gerät ist ein Quantencomputer, der nicht so leistungsfähig ist, wie er sein müsste, um die schwierigen Probleme im Quantum Computing zu lösen, aber dennoch über genügend Fähigkeiten verfügt, um für die Lösung weniger komplexer Probleme nützlich zu sein. 

Das Jahr 2019 war für Enthusiasten des Quantum Computings sehr denkwürdig. Zu diesem Zeitpunkt hörten wir alle, wie die Welt die Quantenüberlegenheit feierte. Google gab bekannt, dass es ihnen gelungen ist, eine Rechenaufgabe in nur 200 Sekunden zu lösen, für die der leistungsstärkste klassische Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde. Sie erreichten es mit einem 54-Qubit-Chip namens Sycamore. Es war der revolutionäre Moment, als wir zu erkennen begannen, dass die Quantenrevolution auf dem Weg ist und wenn es soweit ist, wird es ein gewaltiger Sprung im technologischen Fortschritt sein. 

Die Behauptungen sorgten nicht nur für viel Aufregung, sondern auch für Unglauben an die Stichhaltigkeit der Ergebnisse. Die wissenschaftliche Gemeinschaft untersucht immer noch die genauen Details dieser Behauptungen und im Jahr 2022 wurde ein Dokument veröffentlicht, dass es möglich sein könnte, Sycamore zu schlagen. All diese Diskussionen werfen eine ernsthafte und doch einfache Frage auf: Haben wir bereits einen Quantencomputer? 

Daher habe ich mich entschlossen, einen detaillierten Überblick über den aktuellen Stand der Dinge zu geben und einige technische Details zu erläutern, um Ihnen ein konkreteres Verständnis dafür zu vermitteln, was sie bedeuten. 

Quantencomputer und NISQ-Geräte: Was ist der Unterschied? 

Das Ziel von Quantencomputern und NISQ-Geräten ist es, Quantenalgorithmen auszuführen. Ein Quantenalgorithmus ist eine Reihe von Anweisungen, die einem Quantencomputer gegeben werden. Es kann als eine Reihe von Schritten angesehen werden, die ein Quantensystem von einem Quantenzustand in einen anderen umwandeln. 

Die Funktionsweise eines Quantenprozessors unterscheidet sich erheblich von der eines klassischen Computers. Beim klassischen Rechnen ist jede Operation eine mathematische Transformation, die in Stein gemeißelt ist. Für Quantenprozessoren muss diese Gewissheit und Eindeutigkeit jedoch noch erreicht werden. 

Quantenprozessoren arbeiten mit Qubits, die durch einzelne physische Objekte repräsentiert werden, während Bits durch rund eine Million physische Objekte repräsentiert werden, was eine übermäßige Menge an Redundanz bietet. Infolgedessen ist die Verarbeitung von Quanteninformationen eine viel anspruchsvollere Aufgabe. 

Jede Operation ist anfällig für das Rauschen, das sich über ein gesamtes Quantenregister ausbreiten kann, was möglicherweise dazu führt, dass wichtige Informationen verloren gehen und die Ausgabe zufällig erscheint. Außerdem kann jedes Qubit nur eine begrenzte Zeit gespeichert werden, da es sich verschlechtert. All diese Faktoren bestimmen die Qualität eines Quantenprozessors. 

NISQ-Geräte sind die ersten funktionierenden Modelle von Quantencomputern, sie können jedoch noch nicht mit ausreichender Effizienz arbeiten. Sie sind vielversprechend für die Zukunft des Rechnens und können für das Prototyping nachfolgender Quantencomputer nützlich sein. Indem wir das Verhalten dieser Geräte verstehen und beobachten, können wir lernen, wie wir in Zukunft größere, funktionsfähige Quantencomputer bauen können. 

Quantencomputer: Warum können wir sie heute nicht bauen? 

Ziel ist es einen fehlertoleranten Quantencomputer zu bauen. Das bedeutet einen Prozessor, der in der Lage wäre, ordnungsgemäß und mit gleichbleibender Effizienz und Qualität der Berechnungen zu arbeiten, selbst wenn einige seiner Komponenten gelegentlich ausfallen. Ein solcher fehlertoleranter Computer mit angemessener Größe wäre in der Lage, eine unbestreitbare Quantenüberlegenheit zu erreichen. 

Es gibt zumindest einige Herausforderungen zu bewältigen, um das Potenzial voll funktionsfähiger Quantencomputer freizusetzen. 

1. Den Dekohärenzprozess zu überwinden, für den Qubits anfällig sind. Dekohärenz führt dazu, dass die Eindeutigkeit und Qualität von Informationen mit der Zeit abnehmen, selbst wenn keine Quantenoperationen angewendet werden und die Informationen nur im Quantenregister gespeichert werden. 
2. Gatter mit angemessener Genauigkeit zu konstruieren, d. h. Quantenoperationen zwischen Qubits zusammenzusetzen, die keine signifikanten Mengen an Fehlern erzeugen. Außerdem müssen die Gatter einen universellen Satz bilden, was bedeutet, dass jede beliebige Operation aus ihnen konstruiert werden kann. Daher muss nicht nur die einfachste Operation implementiert werden, sondern auch solche mit der Fähigkeit, ihre Wirkung auf jede beliebige Transformation zu verallgemeinern. 
3. Logische Qubits erstellen. Sie sind Sammlungen von Qubits, die, obwohl sie einzeln fehleranfällig sind, zusammen eine wohldefinierte Einheit von Quanteninformationen bilden können. Der Prozess des Eliminierens einzelner Qubit-Fehler zum Erstellen logischer Qubits wird als Quantenfehlerkorrektur bezeichnet. 
4. Zuverlässige Messungen. Am Ende jeder Berechnung steht der Messprozess, der die Ergebnisse der Quantenberechnung liefert. Wenn der Messprozess nicht angemessen ist, kann dies die Verteilung der Ergebnisse negativ beeinflussen und dazu führen, dass sie nicht die tatsächliche Ausgabe widerspiegeln. 
5. Skalierung ermöglichen. Wenn wir 5 logische fehlertolerante Qubits erreichen, aber nicht wissen, wie wir mit einem ähnlichen Ansatz deutlich größere Geräte konstruieren sollen, gibt es keinen signifikanten Unterschied zu den heute durchgeführten Berechnungen. 

 

Kann mein Unternehmen von der NISQ-Technologie profitieren? 

Obwohl wir es noch nicht gemeistert haben, fehlerfreie Quantenprozessoren zu bauen, sind NISQ-Geräte bereits ein enormer technologischer Fortschritt, der Ihrem Unternehmen einen Mehrwert bringen kann. Sie nutzen die Gesetze der Quantenphysik zu ihrem Vorteil, was ihre Arbeitsweise stark von klassischen Computern unterscheidet. 

Es gibt vier Vorteile, die Quanten als Berechnungsrahmen auszeichnen. 

• Quantencomputer haben das Potenzial, den Zeitaufwand für die Lösung bestimmter Probleme, insbesondere solcher mit vielen möglichen Kombinationen, drastisch zu reduzieren. 
• Darüber hinaus könnte Quantum Computing mit seiner Fähigkeit, komplexe Strukturen zu durchsuchen, die Effektivität der Lösung erhöhen. 
• Die Quantenberechnung bietet eine größere Auswahl an Optionen und Lösungen als ein einzelnes Ergebnis. Dies ermöglicht eine fundiertere Entscheidungsfindung. 
• Schließlich könnte Quantum Computing ermöglichen, Lösungen zu finden, die für die klassischen Methoden unerreichbar sind. 

 

Was ist die Zukunft der NISQ-Geräte? 

Obwohl die in aktuellen Quantenprozessoren vorhandenen Fehler immer noch Teil jeder Ausführung von Quantenalgorithmen sein werden, werden NISQ-Geräte in naher Zukunft einen geschäftlichen Mehrwert liefern. Das liegt daran, dass es Möglichkeiten gibt, diese Fehler für bestimmte Zwecke unerheblich zu machen. 

Erstens haben Forschung und Fortschritte in der Qubit-Verarbeitung zu stabileren Qubits und Qubit-Gattern geführt, was bedeutet, dass Operationen mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden können. Auch beim Betrieb von Qubits mit engerer Kohärenz sowie bei Möglichkeiten zur Korrektur der Quantenzustände machen wir Fortschritte. Die Verbesserungsrate ist ermutigend. 

Der zweite Schritt besteht darin, Fehlerminderungstechniken einzusetzen. Es gibt einige allgemeine Methoden und Implementierungen aber sie funktionieren am besten, wenn sie auf den Algorithmus und die Hardware zugeschnitten sind. Mit anderen Worten, diese Methoden sind am erfolgreichsten, wenn sie die Einschränkungen der Quantenverarbeitungseinheiten und des Modells berücksichtigen, das in Ihren Berechnungen verwendet wird. 

Bei der Fehlerminderung wird die Ausgabe der Quantenhardware für bestimmte Operationen an absichtlich ausgewählten Qubits beobachtet. In einfachen Fällen kennen Sie die gewünschte Ausgabe und können sie als Benchmark für die erzeugten Werte verwenden. Ein solches Verfahren gibt Einblicke in das Rauschen, das durch bestimmte Operationen mit bestimmten Gates eingeführt wird. Unter Berücksichtigung dessen könnten die Leistungsunterschiede zwischen einem NISQ-Gerät und einer idealen Maschine verringert werden, wodurch wir eine ungefähre Fehlerunterdrückung erreichen könnten. 

Zusammenfassung 

Die ersten Quantencomputer sind fast einsatzbereit. Sie werden Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ)-Computer genannt und sind die ersten Schritte in Richtung vollwertiges Quantum Computing. NISQ-Geräte basieren auf den gleichen Prinzipien wie Quantencomputer, haben aber nicht die gleichen Fähigkeiten. 

In diesem Artikel habe ich die entscheidenden Einschränkungen von NISQ-Geräten erläutert. Aber auch in ihrem jetzigen Zustand haben sie ein immenses Potenzial und können genutzt werden, um Erkenntnisse zu gewinnen, die bisher unerreichbar waren. Wenn Sie mehr über den aktuellen Stand der Quantentechnologie erfahren möchten und wissen möchten, ob sie heute für Sie geeignet ist, zögern Sie nicht, unsere Webseite zu besuchen. Oder wenden Sie sich direkt an uns. Wir bleiben über alle neuen Fortschritte auf dem Laufenden und sind bereit, Sie durch diese sich ständig weiterentwickelnde Welt zu führen.