Kursvorstellung

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Über diesen Kurs

Willkommen bei Quantum Computing in der Praxis - ein Kurs, der sich mit den heutigen Quantencomputern und deren optimaler Nutzung beschäftigt. Er behandelt realistische potenzielle Anwendungsfälle für das Quantencomputing sowie bewährte Verfahren für den Betrieb und das Experimentieren mit Quantenprozessoren mit 100 oder mehr Qubits.

Quanten-Nützlichkeit

Es ist eine aufregende Zeit für die Quanteninformatik. Nach vielen Jahren der theoretischen und experimentellen Forschung und Entwicklung nähern sich Quantencomputer einem Punkt, an dem sie mit klassischen Computern konkurrieren und ihren Nutzen unter Beweis stellen können.

Nutzen ist nicht dasselbe wie Quantenvorteil, der sich darauf bezieht, dass Quantencomputer bei sinnvollen Aufgaben besser abschneiden als klassische Computer. Klassische Computer sind unglaublich leistungsfähig und anpassungsfähig, und Tatsache ist, dass Quantencomputer sie einfach noch nicht übertreffen können. Wir haben jahrzehntelange Fortschritte im klassischen Rechnen erlebt - nicht nur bei der Computerhardware, sondern auch bei den Algorithmen für klassische Computer - und wir können mit Klarheit feststellen, dass die Technologie des elektronischen digitalen Rechnens unsere Welt radikal verändert hat.

Die Quanteninformatik hingegen befindet sich in einem anderen Stadium ihrer Entwicklung. Die Quanteninformatik stellt extreme Anforderungen an unsere Beherrschung quantenmechanischer Systeme und stößt an die Grenzen der heutigen Technologie - und wir können realistischerweise nicht erwarten, dass wir diese neue Technologie beherrschen und die klassische Informatik auf Anhieb schlagen können. Es gibt jedoch Anzeichen, die darauf hindeuten, dass Quantencomputer bei bestimmten Aufgaben mit klassischen Rechenverfahren konkurrieren können, was ein natürlicher Schritt in der technologischen Entwicklung des Quantencomputers ist, die als Quantennutzen bekannt ist.

In dem Maße, wie die Technologie voranschreitet und neue Methoden für das Quantencomputing entwickelt werden, können wir davon ausgehen, dass ihre Vorteile immer deutlicher hervortreten werden - aber das wird seine Zeit brauchen. Dabei werden wir wahrscheinlich ein Hin und Her mit dem klassischen Rechnen erleben: es werden Demonstrationen des Quantencomputings durchgeführt und das klassische Rechnen wird darauf reagieren, das Quantencomputing wird eine weitere Runde drehen, und das Muster wird sich wiederholen. Und eines Tages, wenn die Leistung eines Quantencomputers nicht mehr mit der eines klassischen Computers mithalten kann, werden wir die Hypothese aufstellen, dass wir einen Quantenvorteil gesehen haben - aber selbst dann werden wir es nicht mit Sicherheit wissen! Der Nachweis von Unmöglichkeitsergebnissen für klassische Computer ist selbst ein unmögliches Problem, soweit wir wissen.

Die Natur simulieren

Klassische Simulatoren - also Computerprogramme, die auf klassischen Computern laufen und physikalische Systeme simulieren - können Vorhersagen über quantenmechanische Systeme machen. Klassische Simulatoren sind jedoch keine Quantengeräte und können Quantensysteme nicht direkt emulieren. Stattdessen verwenden sie mathematische Berechnungen, um sich dem Quantenverhalten anzunähern. Mit zunehmender Größe der zu simulierenden Systeme steigt der dafür erforderliche Overhead dramatisch an, so dass den klassisch simulierbaren Quantensystemen, der Dauer der Simulationen und der Genauigkeit der Ergebnisse Grenzen gesetzt sind.

Quantencomputer hingegen können Quantensysteme direkter emulieren, was zur Folge hat, dass der erforderliche Overhead mit zunehmender Systemgröße deutlich besser skaliert. Tatsächlich war es die Idee von Richard Feynman ( 1980s ), die den Anstoß zu einer Untersuchung des Potenzials von Quantencomputern gab. Wir werden später mehr dazu sagen!

IBM® Forscher veröffentlichten 2023 eine Studie, die erstmals zeigte, dass ein Quantencomputer bei der Simulation eines bestimmten physikalischen Modells mit modernsten klassischen Techniken mithalten kann. Die Ergebnisse lassen sich zwar noch mit fortschrittlichen Techniken auf klassischen Computern erreichen – doch das System hat Brute-Force-Algorithmen übertroffen und bietet zudem einen neuen Bezugspunkt, an dem verschiedene Simulationsmethoden (die nicht exakt sind und in ihren Vorhersagen nicht alle übereinstimmen) gemessen werden können.

Fokus auf größere Quantenprozessoren

Nutzern, die bereits Quantencomputer von „ IBM “ verwendet haben, ist vielleicht aufgefallen, dass die kleineren Prozessoren, die wir zuvor öffentlich zugänglich gemacht hatten, nun vom Netz genommen wurden, um Platz für größere Prozessoren (mit mehr als 100 Qubits) zu schaffen. Diese kleineren Prozessoren ließen sich problemlos auf klassische Weise simulieren. Obwohl sie also öffentlich zugängliche Meilensteine in einer sich weiterentwickelnden Technologie darstellten, konnten sie unmöglich den Nutzen der Quanteninformatik unter Beweis stellen: Alles, was mit ihnen möglich war, ließ sich ebenso gut mit einer klassischen Simulation bewerkstelligen.

Ab etwa 100 Qubits ist dies jedoch nicht mehr der Fall. Im Allgemeinen lassen sich Quantenprozessoren dieser Größe nicht mehr klassisch simulieren. Dies stellt gewissermaßen einen Phasenübergang dar, hin zu einer neuen Ära der Quantencomputertechnologie, in der das Potenzial besteht, klassische Rechner zu übertreffen. Genau hier hat „ IBM “ seinen Schwerpunkt gesetzt – auf der Suche nach Quantencomputing-Leistung und dem Ziel, letztendlich einen Quantenvorteil zu erreichen.

Wir ermutigen unsere Nutzer, das Potenzial dieser neuen Geräte voll auszuschöpfen, mit ihnen zu experimentieren und ihre Grenzen auszuloten und die gewonnenen Erkenntnisse in die nächste Generation von Quantenprozessoren, die derzeit entwickelt werden, einfließen zu lassen. Das Ziel dieses Kurses ist es, Sie dazu zu befähigen!

Zielgruppe und Kursziele

Dieser Kurs richtet sich an alle, die neue Anwendungen für Quantencomputer entwickeln möchten, ihre derzeitige Arbeit im Bereich Quantencomputing ausweiten wollen oder lernen möchten, wie sie Quantenprozessoren in ihren Arbeitsablauf integrieren können. Dazu gehören nicht nur Physiker und Informatiker, sondern auch Ingenieure, Chemiker, Materialwissenschaftler und alle anderen, die sich für die Beherrschung von Quantencomputer-Hardware interessieren.

Der Kurs ist praxisorientiert und konzentriert sich auf den praktischen Einsatz von Quantencomputern. Er umfasst unter anderem die folgenden Themen und Fähigkeiten:

Ausführung von Aufträgen im industriellen Maßstab auf Quantenprozessoren über den „ IBM Quantum “ Compute Service
Anwendung von Techniken zur Fehlerbegrenzung zur Verbesserung der Hardware-Ergebnisse
Potenzielle Anwendungsbereiche für baldige Quantencomputer

Dieser Kurs behandelt nicht die einführende Theorie der Quanteninformatik und setzt eine grundlegende Vertrautheit mit Qubits und Quantenschaltungen voraus. Der Kurs "Grundlagen der Quanteninformation " auf dieser Plattform deckt dieses Material ab und wird zunächst für diejenigen empfohlen, die neu im Bereich Quantencomputing sind.

Die Geschichte der Informatik

Das Quantencomputing ist eine aufregende neue Technologie, die sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet - aber es ist nur ein Kapitel in einer Geschichte, die Tausende von Jahren zurückreicht. Es ist die Geschichte des Rechnens und seiner vielfältigen Verbindungen zur physischen Welt.

Rechner seit der Antike

Seit der Antike müssen wir Menschen Berechnungen durchführen - oder anders ausgedrückt, Informationen nach bestimmten Regeln und Vorgaben verarbeiten -, um Kommunikation, Bauwesen, Handel, Wissenschaft und andere Aspekte unseres Lebens zu ermöglichen. Wir haben die physische Welt um Hilfe gebeten und durch geniale Entdeckungen Geräte konstruiert, die uns beim Rechnen helfen.

Vor langer Zeit speicherten Geräte aus Holz, Knochen und geknoteten Seilen Informationen und ermöglichten Berechnungen. Mechanische Geräte, die aus Hebeln, Zahnrädern und anderen Maschinen gebaut wurden, entwickelten sich von frühen astronomischen Uhren über Rechenmaschinen bis hin zu hochentwickelten Rechengeräten wie Differentialanalysatoren, die Gleichungen mit Hilfe von Rädern und rotierenden Scheiben lösten. Sogar die Technologie des Schreibens hat in dieser Geschichte eine wichtige Rolle gespielt, da sie es den Menschen ermöglichte, Berechnungen durchzuführen, zu denen sie sonst nicht in der Lage gewesen wären.

Wenn wir heute an Computer denken, denken wir meist an elektronische Digitalrechner. Dabei handelt es sich jedoch um eine relativ neue Technologie: Elektronische Digitalcomputer wurden erstmals im 1940s gebaut. (Im Gegensatz dazu wird angenommen, dass der sumerische Abakus irgendwo zwischen 2700 und 2300 v. Chr. erfunden wurde) Die Technologie hat sich seither dramatisch weiterentwickelt, und Computer sind heute allgegenwärtig. Man findet sie zu Hause, am Arbeitsplatz und in den Fahrzeugen, die uns zwischen diesen Orten transportieren, und viele von uns haben sie überall dabei.

Wir haben auch Supercomputer, das sind große Ansammlungen von leistungsstarken klassischen Prozessoren, die parallel geschaltet sind. Sie gehören zu den besten Werkzeugen, die die Menschheit je für die Lösung schwieriger Probleme gebaut hat, und ihre Leistung und Zuverlässigkeit wird immer weiter verbessert. Dennoch gibt es wichtige Berechnungsprobleme, die selbst diese Giganten niemals lösen können, da sie von Natur aus schwierig zu berechnen sind.

Verbindungen zur physischen Welt

Computer sind vielseitig einsetzbar. Ein wichtiger Einsatzzweck von Computern besteht darin, etwas über die physische Welt zu lernen und ihre Muster besser zu verstehen. Zu den historischen Anwendungen in dieser Kategorie gehören die Vorhersage von Finsternissen und Gezeiten, das Verständnis der Bewegung astronomischer Körper und (in jüngerer Zeit) die Modellierung von Explosionen. Heute gibt es kaum ein Physiklabor auf der Welt ohne Computer.

Allgemeiner ausgedrückt: Physik und Rechnen waren schon immer miteinander verflochten. Berechnungen können nicht in einem Vakuum stattfinden: Informationen benötigen ein Medium, und um Berechnungen durchzuführen, müssen wir uns die physische Welt in gewisser Weise zunutze machen. Rolf Launduer, ein Informatiker (und IBMer), erkannte schon vor Jahrzehnten, dass Informationen physisch sind und nur durch eine physische Darstellung existieren. Der Landauer'sche Grundsatz stellt eine Verbindung zwischen Information und den Gesetzen der Thermodynamik her, aber in Wirklichkeit gibt es viele Verbindungen.

Das Ziel der Physik als Disziplin ist es, die physikalische Welt zu verstehen, aber das ist eigentlich eine Zweibahnstraße. Durch unser Verständnis der physikalischen Welt können wir neue Technologien nutzen, die uns beim Rechnen helfen, und durch sie lernen wir weiterhin etwas über die physikalische Welt - im Wesentlichen ziehen wir die Physik und die Rechentechnologie an den Stiefeln hoch.

Mooresches Gesetz

Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die maximale Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt. In den letzten 5 Jahrzehnten haben wir diesen Trend nicht nur beobachtet, sondern auch die Früchte davon geerntet. Mit mehr Transistoren auf einem Chip können wir komplexere Berechnungen durchführen, und wir können sie schneller ausführen. Aus diesem Grund sind die Computer im Laufe der Zeit immer leistungsfähiger geworden.

Das "Mooresche Gesetz" wird jedoch zwangsläufig zu Ende gehen. Die Experten sind sich nicht einig, wann dies der Fall sein wird, und einige sind der Meinung, dass es bereits geschehen ist. Aber wir wissen mit Sicherheit, dass sie unweigerlich enden muss, weil es eine theoretische Grenze für die Miniaturisierung von Computerkomponenten gibt. Wir können einen Transistor nicht kleiner als ein Atom bauen! Das mag übertrieben klingen, aber das ist die Mauer, auf die wir zugehen.

Die Lösung besteht nicht darin, aufzugeben und zu sagen: „Nun, besser wird es nicht.“ Das widerspricht der menschlichen Natur. Stattdessen müssen wir in der physikalischen Welt nach neuen Rechenwerkzeugen suchen, und genau hier kommt die Quantencomputertechnik ins Spiel.

Quantencomputing

Quantenmechanik und Berechnung

Die Quantenmechanik wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckt und hat bereits eine wichtige Rolle bei der Berechnung von Daten gespielt. In der Tat hat unser Verständnis der Quantenmechanik die modernen Computer teilweise erst möglich gemacht. Ohne die Quantenmechanik wäre zum Beispiel die Erfindung der Festplatten kaum denkbar.

Quantencomputing in der Theorie

Als Richard Feynman 1982 erstmals die Idee eines Quantencomputers vorschlug, konzentrierte er sich auf die Simulation quantenmechanischer Systeme. Die dafür erforderlichen Berechnungen schienen für normale Computer zu schwierig zu sein - aber vielleicht könnten die Systeme mit einem Computer, der nach einer quantenmechanischen Beschreibung der Welt arbeitet, direkt emuliert werden.

Heute ist dies einer der vielversprechendsten Wege für das Quantencomputing. Nach unserem besten Wissen und Gewissen ist die Natur nicht klassisch, sondern quantenbasiert. Deshalb können Quantencomputer wertvolle Werkzeuge sein, um sie zu verstehen. Klassische Computer hingegen können nur annähernd das abbilden, was in der Natur tatsächlich vorkommt, und in einigen Fällen sind diese sind diese Näherungen sehr begrenzt.

Man kann sich das zum Beispiel anhand einer Analogie zu Windkanälen vorstellen. Die Strömungsdynamik ist bekanntermaßen schwer mathematisch zu simulieren und vorherzusagen. Es ist zum Beispiel zu kostspielig und unpraktisch, ein Auto zu simulieren, das durch Wind fährt; stattdessen bauen Autohersteller Windkanäle, in denen sie die Fahrzeuge durchfahren lassen, um deren Leistung zu testen. Das heißt, sie erzeugen Wind, anstatt ihn zu simulieren. Einen Quantencomputer zu bauen, um die physikalische Welt zu erforschen, ist in etwa so, als würde man einen Windkanal bauen, um zu untersuchen, wie sich Wind auf Autos auswirkt. Quantencomputer können die Naturgesetze auf molekularer Ebene direkt nachbilden, da sie nach diesen Gesetzen funktionieren; das heißt, sie bilden die Natur nach, anstatt sie durch Formeln und Berechnungen zu simulieren.

Andere knüpften an Feynmans Ideen an - und sie verbanden diese Ideen mit einer Theorie der Quanteninformation, die die sich bereits in der Entwicklung befand. Das Gebiet der Quanteninformation und -berechnung war geboren. Seitdem hat sie sich zu einem reichhaltigen, multidisziplinären Forschungsgebiet entwickelt, und zahlreiche Vorteile der Quanteninformation und -berechnung gegenüber der klassischen Information und Berechnung wurden in einer Vielzahl von theoretischen Bereichen der Kommunikation, Berechnung und Kryptographie festgestellt.

Quantencomputing in der Praxis

In der Praxis sind zwei Dinge erforderlich, um diese theoretischen Vorteile in die Praxis umzusetzen: die Geräte selbst und die Methoden zur Erschließung ihres Potenzials.

Im Gegensatz zu klassischen Computern hat niemand einen Quantencomputer in seiner Hosentasche versteckt. Wenn man bis vor kurzem mit einem Quantencomputer experimentieren wollte, musste man ihn selbst bauen und warten (in der Regel in einem tristen Kellerlabor einer Universität oder Forschungseinrichtung), und man hatte höchstens ein paar sehr verrauschte Qubits. Dies ist nun nicht mehr der Fall. Im Jahr 2016 stellte IBM Quantum® den ersten Quantenprozessor in die Cloud. Es hatte nur 5 Qubits und ziemlich hohe Fehlerquoten, aber wir haben seitdem einen langen Weg zurückgelegt. Wir werden den aktuellen Stand der Technik in einem Abschnitt zusammenfassen.

Wir müssen nicht nur Quantencomputer bauen, sondern auch Methoden entwickeln, um sie effektiv zu nutzen. Während die theoretischen Fortschritte bei den Quantenalgorithmen und -protokollen auf ein großes Potenzial hindeuten, steht die Herausforderung, praktische Anwendungen für das Quantencomputing zu finden, noch bevor. Die heutigen Quantencomputer können noch nicht die fehlertoleranten Berechnungen durchführen, die erforderlich sind, um die bekannten theoretischen Vorteile in praktische Vorteile umzusetzen. Sie liegen jedoch jenseits der Reichweite klassischer Computersimulationen, und wir können versuchen, diese Tatsache zur Steigerung der Rechenleistung zu nutzen.

Mit diesen Fortschritten steht uns ein neues Rechenwerkzeug zur Verfügung, und es liegt an uns, herauszufinden, was wir damit machen können.

Mögliche Anwendungen

Es wird nicht erwartet, dass die Quanteninformatik für die Untersuchung des Fahrverhaltens von Autos bei Wind nützlich sein wird. Aber es gibt auch andere physikalische Prozesse - etwa bei der Konstruktion von Batterien oder bei bestimmten chemischen Reaktionen -, bei denen die Fähigkeit eines Quantencomputers, die Natur zu emulieren, zu einem Quantenvorteil führen könnte. Ganz allgemein gibt es viele Probleme, die selbst für modernste Supercomputer zu schwierig oder zu kostspielig sind, darunter auch Probleme, die für unsere Gesellschaft von großer Bedeutung sind. Das Quantencomputing bietet vielleicht nicht für alle, aber für einige dieser Probleme Lösungen.

Die folgenden drei Anwendungsbereiche stellen Ziele im Bereich des verrauschten Quantencomputings dar, bevor die Quantenfehlerkorrektur und die Fehlertoleranz eingeführt werden.

Optimierung
Die Natur simulieren
Auffinden von Strukturen in Daten (einschließlich maschinelles Lernen)

Wir werden diese Themen im weiteren Verlauf des Kurses ausführlicher behandeln.

Stand der Technik

Der Bau von Quantencomputern ist eine schwierige technologische Herausforderung, und es ist erst 8 Jahre her, dass kleine Quantencomputer öffentlich verfügbar waren. In diesen 8 Jahren haben wir an vielen Fronten Fortschritte gemacht.

Zahlreiche IBM Quantenprozessoren sind jetzt über die Cloud zugänglich, die alle über 100 Qubits verfügen. Aber nicht nur die Größe der Prozessoren ist wichtig - das ist nur eine Kennzahl, die uns interessiert. Auch die Qualität der Gatter hat sich dramatisch verbessert, und wir haben Methoden zur Reduzierung und Abschwächung von Fehlern eingeführt, die Quantensystemen innewohnen, während wir gleichzeitig die Entwicklung von fehlertoleranten Systemen vorantreiben. Drei grundlegende Metriken - Umfang, Qualität und Geschwindigkeit - sind für die Verfolgung von Leistungsverbesserungen von entscheidender Bedeutung.

Größe. Mehr Qubits sind natürlich besser, aber nur, wenn die Erhöhung der Anzahl die Leistung nicht beeinträchtigt (was durchaus der Fall sein kann). Tatsächlich wollen wir mehr hochwertige Qubits, die sich nicht gegenseitig stören, indem sie ungewollt miteinander in Wechselwirkung treten. Auch die Art und Weise, wie die Qubits miteinander verbunden sind, spielt eine wichtige Rolle, und die Frage, wie dies am besten zu bewerkstelligen ist, stellt eine Herausforderung für Schaltungen mit supraleitenden Qubits dar.
Qualität. Eine weitere wichtige Kennzahl, die wir beobachten, um Leistungsverbesserungen im Laufe der Zeit zu verfolgen, ist die 2-Qubit-Gate-Treue. Gatter, die mit einzelnen Qubits arbeiten, sind nicht so fehleranfällig wie Gatter mit 2 Qubits, die daher das größere Problem darstellen. (2-Qubit-Gates sind auch deshalb so wichtig, weil sie für die Verschränkung zwischen den Qubits verantwortlich sind, die eines der physikalischen Phänomene ist, die dem Quantencomputing seine Leistungsfähigkeit verleihen)
Schnelligkeit. Der letzte Punkt ist Geschwindigkeit und Effizienz. Kurz gesagt, die Zeit für die Ausführung eines Programms (einschließlich der Quanten- und klassische Teile) sollte so kurz wie möglich sein.

Fazit

Es ist wirklich eine aufregende Zeit, auf dem Gebiet der Quanteninformatik zu arbeiten: Zum ersten Mal in der Geschichte können wir damit beginnen, einen Bereich der Informatik zu erforschen, der jenseits des klassischen Rechnens liegt.

T.J. Watson prophezeite einst einen Weltmarkt für nur wenige Computer. Wir mögen jetzt darüber lachen, wie weit er daneben lag - aber dabei müssen wir erkennen, dass wir den Vorteil der Rückschau haben. Und wir sollten uns auch eingestehen, dass wir als Menschen generell dazu neigen, das Potenzial künftiger Technologien grob zu unterschätzen. Jetzt, wo wir an der Reihe sind und eine Rolle als frühe Pioniere des Quantencomputers übernehmen, sollten wir dies im Hinterkopf behalten.

Quantencomputing wird oft dem klassischen Computing gegenübergestellt, als etwas, das sich deutlich davon unterscheidet und mit ihm im Wettbewerb steht. Aus einer breiteren Perspektive betrachtet können wir das Quantencomputing jedoch einfach als ein weiteres Kapitel in einer langen Geschichte betrachten. Es liegt in unserer Natur als Menschen, nach neuen Wegen der Datenverarbeitung zu suchen und die Kräfte zu nutzen, die uns die Natur dafür zur Verfügung stellt. Das machen wir schon seit Jahrhunderten. Die Quantencomputertechnik bietet uns ein neues Werkzeug für dieses Vorhaben, und es liegt an uns, herauszufinden, wie wir die Möglichkeiten, die sie uns bietet, nutzen können.

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