Vorglühen im Quantencomputing

D-Wave knackt mit 2.048-Qubit Prozessor bisher unlösbares Magnetismusproblem

| Autor: Ulrike Ostler

Fortschritt: Der D-Wave Quantencomputer „2000Q“ konnte dafür verwendet werden, Phasenübergänge in einem quantenmechanischen System, dem so genannten Querfeld Ising-Modell, vorherzusagen.
Fortschritt: Der D-Wave Quantencomputer „2000Q“ konnte dafür verwendet werden, Phasenübergänge in einem quantenmechanischen System, dem so genannten Querfeld Ising-Modell, vorherzusagen. (Bild: D-Wave)

Es gibt zwei Arten von Computern, die im Quantencomputing eingesetzt werden: der so genannte Quantum Gate Computer à la IBM, der mit „Superposition“, Verschränkung („Entanglement“) und Quantum Tunneling rechnet, also auf Lasermanipulation der Ionen basiert, oder auf so genannten „Annealer“ (anneal = glühen), die dieses Verhalten im Wesentlichen simulieren. Vorreiter hier ist D-Wave.

Das „Querfeld-Ising-Modell“ (TFIM) gilt laut Holger Büch 2005 als „das einzige halbwegs realistische Modell, das in der statistischen Physik exakt behandelt werden kann und dabei in zwei oder mehr Dimensionen einen Phasenübergang zeigt“ beschrieb. Ernst Ising publizierte 1925 eine erste exakte Messlösung für das Phänomen im Ferromagnetismus, allerdings für ein eindimensionale Modell. 1944 stellte der Norwege Lars Onsager das zweidimensionale Modell (ohne äußeres Magnetfeld) mit dem Konzept einer Transfermatrix vor. Und 1982 veröffentlichte Richard Feynman die Idee, dass die materialwissenschaftliche Simulation am ehesten durch Quantencomputer zu erfüllen sei.

Doch etwa Anfang des Monats konnten Forscher mithilfe eines D-Wave 2.048-Qubit-Prozessors interagierende Ising-Spins auf kubischen 3D-Gittern bis zu einer Größe von 8x8x8 tatsächlich simulieren: siehe: „Phase transitions in a programmable quantum spin glass simulator“ Dabei stellt das Gitter in gewisser Weise eine imaginäre „Substanz“ dar, die ausschließlich aus magnetischen Momenten besteht; man könnte auch sagen: Sie simulierten korrelierende Elektrosysteme – im Übrigen unter Einsatz der üblichen Programmierwerkzeuge von D-Wave.

Das D-Wave-System ist nach Herstellerangaben in der Lage, die einzelnen Interaktionen zwischen den Spins zu programmieren, während sich die bisherige Arbeit mit anderen Quantengeräten auf die Untersuchung von Systemen beschränkte, in denen diese Interaktionen nicht individuell programmiert werden konnten.
Das D-Wave-System ist nach Herstellerangaben in der Lage, die einzelnen Interaktionen zwischen den Spins zu programmieren, während sich die bisherige Arbeit mit anderen Quantengeräten auf die Untersuchung von Systemen beschränkte, in denen diese Interaktionen nicht individuell programmiert werden konnten. (Bild: D-Wave)

Zitat der Autoren: „Indem wir das Ausmaß der Störung im Gitter abstimmen und das effektive transversale Magnetfeld variieren, zeigen wir Phasenübergänge zwischen einer paramagnetischen (PM), einer geordneten antiferromagnetischen (AFM) und einer Spin-Glas (SG) Phase. Die experimentellen Ergebnisse vergleichen sich gut mit der Theorie für dieses spezielle SG-Problem und bestätigen so den Einsatz eines probabilistischen Quantencomputers zur Simulation der Materialphysik. Dies ist ein wichtiger Schritt vorwärts bei der Realisierung integrierter Quantenschaltungen in einem für die Forschung an kondensierter Materie relevanten Maßstab.“

Bahnbrechend oder Einbahnstraße?

Ned Allen, Chief Scientist und Corporate Senior Fellow bei Lockheed Martin, ein D-Wave-Kunde, kommentiert die Simulation als „bahnbrechend“. Es sei die erste wirklich nützliche Anwendung eines Quantencomputers.

Ergänzendes zum Thema
 
Quantum Technology Readiness 1 bis 9

Tatsächlich streiten sich die Gelehrten, welcher Technik im Quantencomputing der Vorzug zu geben sei und die verschiedenen Ansätze befinden sich durchaus im Wettstreit. Im Gegensatz zu einem Gate-Modell beruht die D-Wave-Systemarchitektur auf der Tendenz von Quantensystemen, niederenergetische Zustände zu finden.

Das erste D-Wave-System war eine im Jahr 2010 eingeführte 128-Qubit-Maschine. Der aktuelle Stand der Technik ist das System „D-Wave 2000Q“, das im September 2016 angekündigt und Anfang 2017 eingeführt wurde.

Darüber hinaus finden sich folgende Merkmale, die die jüngste der D-Wave-Maschine beschreiben:

  • Ein Gitter aus 2.000 winzigen supraleitenden Bauelementen, den so genannten Qubits, wird nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt, um Quanteneffekte zu nutzen.
  • Ein Benutzer modelliert ein Problem in eine Suche nach dem „niedrigsten Energiepunkt“
  • Der Prozessor berücksichtigt alle Möglichkeiten gleichzeitig, um die niedrigste Energie und die Werte, die sie erzeugen, zu bestimmen.
  • Mehrere Lösungen werden an den Benutzer zurückgegeben, skaliert, um optimale Antworten anzuzeigen.

Andere Hersteller verfolgen andere Ansätze einen Quantencomputer zu bauen. Microsoft favorisiert etwa ein topologisches Modell. Die Unterschiede liegen unter anderem in der relativen Exposition beziehungsweise Fehleranfälligkeit. Das Gate-Modell gilt am anfälligsten. Gemeinhin ist davon auszugehen, dass der Aufwand, notwendig ist, diese Fehler zu eliminieren, um ein Vielfaches höher ist, als die eigentliche Rechenoperation. D-Wave spricht von Zehntausenden an Qubits, um nur ein logisches Qubit zu simulieren.

Während IBM und andere davon ausgehen, dass spätestens in zehn Jahren ein verlässlicher, leistungsstarker und damit kommerziell verfügbarer Quantum Gate Computer gebaut sein wird, gehen Skeptiker, etwa von D-Wave davon aus, dass es noch 15 Jahre dauern könnte. Das Unternehmen liefert etwa auch an die NASA.

Die QTRL-Skala ist eine Metrik zur Beschreibung des Reifegrades der Quantencomputertechnologie. Sie besteht aus neun Stufen (QTRLs), wobei QTRL1 die niedrigste und QTRL9 die höchste Stufe ist.
Die QTRL-Skala ist eine Metrik zur Beschreibung des Reifegrades der Quantencomputertechnologie. Sie besteht aus neun Stufen (QTRLs), wobei QTRL1 die niedrigste und QTRL9 die höchste Stufe ist. (Bild: Kristel Michielsen, Thomas Lippert Forschungszentrum Jülich/http://www.fz-juelich.de/ias/jsc/EN/Research/ModellingSimulation/QIP/QTRL/_node.html)

D-Wave CEO Vern Brownell verweist auf einen Metrik des Jülich Supercomputing Center, der auf einem D-Wave-Anwendertreffen im vergangenen April vorgestellt wurde. Es geht dabei um einen Vergleich von einem IBM- und einem D-Wave-System. Auf einer Skala von 1 bis 9 haben die Forscher eine „Quantum Technology Readiness“ (QTR) ermittelt. D-Wave landete auf Stufe 8 und IBM auf Stufe 5 zusammen mit Google und so ziemlich allen anderen im Quanten-Computing-Plattformen (siehe: Kasten).

Was meinen Sie zu diesem Thema?

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45413518 / Konvergente Systeme)