Klassisches Rechnen hält im neuesten Quantum Smackdown an der Spitze

Von Doug Eadline

23. August 2023

Während das Quantencomputing voranschreitet, gibt es regelmäßig Ankündigungen, Quantum Supremacy zu erreichen – einen Test, bei dem Quantencomputer (QC) einige Beispielalgorithmen viel schneller abschließen als klassische Computer. Eine gute Frage-und-Antwort-Runde zum Thema „Quantum Supremacy“ finden Sie im Blog von Scott Aaronson.

Eines der veröffentlichten Ergebnisse stammt aus dem Jahr 2019. In diesem Fall hatte ein von Google gebauter Quantencomputer (Googles 53-Qubit-Sycamore-Chip) eine solche Leistung erbracht, dass das Unternehmen behauptete, es würde 10.000 Jahre dauern, bis er sich auf der damaligen Supercomputing-Hardware reproduzieren würde . Das konkrete Problem bestand darin, die Ausgabe einer zufälligen Folge von Gattern und Qubits in einem Quantencomputer zu simulieren. Die Folgen von Einsen und Nullen klingen zwar völlig selbstbezogen, wurden aber durch das zufällige Verhalten der Qubits abgeleitet, weisen jedoch eine besondere Art von Zufallsergebnis auf, das von Forschern überprüft werden kann.

Als Reaktion darauf veröffentlichte IBM ein Papier, in dem sie argumentieren, dass die 250 Petabyte Speicher auf dem Summit-Supercomputer in Oak Ridge tatsächlich den gesamten Quantenzustandsvektor von Googles Sycamore-Chip speichern könnten. Diese Konfiguration würde es ermöglichen, die gleichen Ergebnisse in etwa 2,5 Tagen durch eine Brute-Force-Aktualisierung des gesamten Zustandsvektors (alle 250 Petabyte) zu berechnen.

Das Hinzufügen nur einer Handvoll zusätzlicher Qubits würde jedoch einen unüberwindbaren Vorsprung für QC wiederherstellen. Wenn Google oder jemand anderes ein Upgrade von 53 auf 55 Qubits durchführen würde, würde das ausreichen, um die 250-Petabyte-Speicherkapazität von Summit zu überschreiten. Bei 60 Qubits bräuchte man 33 Summits, aber wer zählt?

In diesem Fall, wenn der QC mit jubelnd erhobenen Armen in seine Ecke zurückgeht, steht der klassische Ansatz auf und ist bereit für eine weitere Runde.

In einem Artikel aus dem Jahr 2021 wiesen Forscher darauf hin, dass Google eine sehr spezifische Methode zur Berechnung des erwarteten Verhaltens seines Prozessors gewählt habe, es aber auch andere Möglichkeiten gäbe, gleichwertige Berechnungen durchzuführen. Seit den veröffentlichten Ergebnissen haben mehrere klassische Optionen Ergebnisse gemeldet, die eine bessere Leistung erbringen. Als Beispiel beschrieben Feng Pan, Keyang Chen und Pan Zhang in ihrem Artikel eine spezielle Methode, die es einem GPU-basierten Cluster ermöglicht, in nur 15 Stunden die gleichen Ergebnisse wie der QC-Lauf zu liefern. Die Forscher stellten fest, dass die Ausführung des Problems mit einem mit einer GPU ausgestatteten Supercomputer (wie Summit) den Sycamore-Quantenprozessor übertreffen würde.

Im Juni dieses Jahres (2023) veröffentlichte IBM in Nature ein bedeutendes QC-Ergebnis. Anstatt eine besondere Art von Zufälligkeit zu erzeugen, verwendeten die Forscher dieses Mal einen 127-Qubit-IBM-Eagle-Prozessor, um ein sogenanntes Ising-Modell zu berechnen, das das Verhalten von 127 magnetischen Teilchen in Quantengröße in einem Magnetfeld simuliert. Das Problem hat tatsächlich einen gewissen realen Wert, einschließlich Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Flüssig-Gas-Phasenübergänge und Proteinfaltung. Wenn es in 127 Qubits kodiert wird, stellt es eher eine Quantenüberlegenheit hinsichtlich der Skalierung als der Geschwindigkeit dar, da selbst der größte klassische Computer nicht über genügend Speicher verfügt, um das Problem zu bewältigen.

Das IBM-Team nutzte einen interessanten Ansatz, um das Quantenrauschen abzuschwächen und so ein besser nutzbares Ergebnis zu erzielen. Die Forscher führten tatsächlich mehr Rauschen ein und zeichneten dann die Auswirkungen auf jeden Teil der Prozessorschaltkreise genau auf. Anhand dieser Daten konnten die Forscher extrapolieren, wie die Berechnungen ohne das Rauschen ausgesehen hätten.

Das IBM-Ergebnis wirkte wie ein echter Schlag ins Gesicht der klassischen Informatik, reichte aber nicht aus, um einen Knock-Out herbeizuführen. Innerhalb von zwei Wochen nach der Ankündigung stellten sich Forscher am Center for Computational Quantum Physics des Flatiron Institute der Herausforderung. Sie haben einen Artikel über ihre Ergebnisse vorveröffentlicht und berichten: „Durch die Anwendung eines Tensor-Netzwerk-Ansatzes können wir eine klassische Simulation durchführen, die deutlich genauer ist als die mit dem Quantengerät erzielten Ergebnisse.“ „Sie erwähnten auch, dass die Simulation „bescheidene Rechenressourcen“ beanspruchte.

Um nicht zu übertreffen, heißt es in einem aktuellen Vorabdruck von Tomislav Begušić, Garnet Kin-Lic Chan vom California Institute of Technology: „Unsere klassischen Simulationen auf einem einzelnen Kern eines Laptops sind um Größenordnungen schneller als die gemeldete Wandzeit des Quanten.“ Simulationen“

Gegenschlag. Autsch.

Mit dem Fortschritt des Quantencomputings können wir zwei einigermaßen komplementäre Ergebnisse erwarten.

Lasst uns den guten Kampf fortsetzen, denn jede Runde verlässt den Markt mit mehr übereinander angeordneten Gewinnern.