Google kündigt den Quantenchip Willow an und treibt damit den Fortschritt hin zum Quantencomputing im großen Maßstab voran

Technologieunternehmen Google hat Willow vorgestellt, seinen neuesten Quantenchip, der in mehreren Bereichen eine verbesserte Leistung bietet und damit zwei Durchbrüche ermöglicht. Willow ist in der Lage, Fehler exponentiell zu reduzieren, wenn mehr Qubits hinzugefügt werden, und löst damit eine große Herausforderung in der Quantenfehlerkorrektur, mit der sich Forscher seit fast 30 Jahren beschäftigen. Darüber hinaus hat Willow eine Standard-Benchmark-Berechnung in weniger als fünf Minuten erfolgreich abgeschlossen, eine Aufgabe, für die einer der schnellsten Supercomputer von heute zehn Septillionen (oder 10^25) Jahre benötigen würde – eine Zeitspanne, die das Alter des Universums bei weitem übertrifft.

Fehler stellen eine der größten Herausforderungen dar in Quantencomputing , da Qubits – die grundlegenden Recheneinheiten in Quantencomputern – dazu neigen, schnell mit ihrer Umgebung zu interagieren, was es schwierig macht, die zur Durchführung der Berechnungen erforderlichen Informationen zu erhalten.

Eine kürzlich in Nature veröffentlichte Studie zeigt, dass durch eine Erhöhung der Anzahl der in Willow verwendeten Qubits auch Fehler reduziert und die Quanteneigenschaften des Systems verbessert werden können. Google hat schrittweise größere Arrays physischer Qubits getestet, beginnend mit einem 3×3-Raster, dann über ein 5×5-Raster und schließlich ein 7×7-Raster. Durch die Anwendung unserer neuesten Fortschritte in der Quantenfehlerkorrektur konnten wir die Fehlerrate jedes Mal halbieren. Diese exponentielle Fehlerreduzierung stellt eine historische Errungenschaft auf diesem Gebiet dar und wird als „unter dem Schwellenwert“ bezeichnet – die Fähigkeit, die Fehlerrate zu senken und gleichzeitig die Anzahl der Qubits zu erhöhen.

Um die Leistung von Willow zu bewerten, hat Google den Benchmark Random Circuit Sampling (RCS) verwendet. Die Ergebnisse sind bemerkenswert: Willow hat eine Berechnung in weniger als fünf Minuten abgeschlossen, für die einer der leistungsstärksten Supercomputer von heute 10^25 Jahre oder zehn Septillionen Jahre brauchen würde. Zum Vergleich: Dies entspricht 10,000,000,000,000,000,000,000,000 Jahren. Diese außergewöhnliche Zahl übersteigt bei weitem alle bekannten Zeitskalen der Physik und ist um ein Vielfaches größer als das Alter des Universums.

Was kommt als nächstes für Willow?

Laut Google Die Entwicklung des Willow-Chips begann vor mehr als einem Jahrzehnt. Ziel war es, einen groß angelegten, praktischen Quantencomputer zu schaffen, der die Quantenmechanik – das „Betriebssystem“ der Natur, wie wir es heute verstehen – nutzen kann, um der Gesellschaft zu nützen, indem er wissenschaftliche Entdeckungen voranbringt, nützliche Anwendungen entwickelt und einige der dringendsten Herausforderungen der Gesellschaft angeht. Im Rahmen von Google Research hat das Team einen langfristigen Fahrplan entworfen, wobei Willow einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu kommerziell tragfähigen Anwendungen darstellt.

Die nächste Herausforderung auf diesem Gebiet ist die Durchführung der ersten „nützlichen, über die klassische Technik hinausgehenden“ Berechnung auf der Basis heutiger Quantenchips , die für reale Anwendungen relevant ist. Google ist optimistisch, dass die Willow-Chip-Generation dazu beitragen kann, diesen Meilenstein zu erreichen.

Bisher wurden zwei verschiedene Arten von Experimenten durchgeführt. Zunächst wurde der RCS-Benchmark durchgeführt, der die Leistung im Vergleich zu klassischen Computern evaluiert, obwohl er keine direkten Anwendungen in der realen Welt hat. Zweitens wurden Simulationen von Quantensystemen durchgeführt, die zu neuen wissenschaftlichen Entdeckungen führten, die jedoch immer noch im Rahmen der Leistungsfähigkeit klassischer Computer liegen. Das Ziel besteht darin, beide Ansätze zu kombinieren und in den Bereich von Algorithmen vorzudringen, die über die klassische Computertechnik hinausgehen und auch auf reale, kommerziell bedeutende Probleme anwendbar sind.