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Unsere Welt zu verstehen:  Quantencomputer



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Um wie viel schneller Quantencomputer zu rechnen versprechen

 
und warum sie heute noch hinken

 
 
Nehmen wir zum Vergleich einen klassischen Supercomputer CC aus dem Jahre 2000, der aus 1000 zusammengeschalteter CPUs der Taktfrequenz 100 MegaHertz besteht.
     
  • Um eine ganze Zahl mit 1024 Binärziffern in ihre Primfaktoren zu zerlegen, benötigt CC etwa 100 000 Jahre, ein Quantencomputer aber nur 4,5 Min.
     
  • Um eine ganze Zahl mit 4096 Binärziffern in ihre Primfaktoren zu zerlegen, benötigt CC ein Vielfaches des derzeitigen Alters unseres Universums ein Quantencomputer aber nur 4,8 Minuten.

 
Note: Im Rahmen heute weit verbreiteter Krypographie-Algorithmen muss man immer wieder möglichst große ganze Zahlen in ihre Primfaktoren zerlegen. Brauchbar sind natürlich nur Zahlen, die hinreichend klein sind, um sich mit aktuell verfügbaren Rechnern innerhalb von maximal wenigen Sekunden zerlegen zu lassen. Je kleiner nun aber die Zahl ist, die man verwendet, desto weniger sicher gegen böswillige Angreifer ist das Verschlüsselungsergebnis.
 
Aus eben diesen Gründen investieren selbst Großbanken heute schon Geld in die prototypische Entwicklung von Quantencomputern.
 
 
Was man sonst noch wissen sollte:
     
  • Ein Erfolgserlebnis aus 2016: Nur noch 5 QuBits — statt bis dahin 12 — benötigt ein Team um Thomas Monz von der Universität Innsbruck, um die Zahl 15 in ihre beiden Primfaktoren zu zerlegen. Sie hoffen jetzt, den Shor-Algorithmus auch auf Zahlen größer als 15 anwenden zu können.
     
    Dieses Beispiel zeigt recht gut, wie stark heute selbst noch die Architektur eines Quantencomputers auf das zu lösende Problem zugeschnitten sein muss. Vom Ziel frei programmierbarer Quantencomputer ist man noch sehr weit entfernt.
     
    Die Zahl 15 durch einen Quantencomputer in Primfaktoren zu zerlegen, gelang erstmals IBM in 2001.
     
    Die Zahl der QuBits, aus denen ein Quantencomputer bestehen muss, um eine gegebene Zahl zu zerlegen, steigt mit der Größe der Zahl.
     
     
  • Die beiden wichtigsten Quantencomputer-Chips, die Mitte 2018 existieren, arbeiten mit 49 (Intel) bzw. 72 QuBits (Google).
     
     
  • Besonders schwierig zu lösen ist ein für Quantencomputer typisches Stabilitätsproblem: Qubits reagieren extrem sensibel auf jede Art von Beeinflussung. Wo sie einander stören, kommt es zu Datenverlust. Viele Forschungsgruppen sind deshalb immer noch mit nur zwischen 5 und 17 Qubits unterwegs, da es dann seltener zu gegenseitiger Störung der QuBits untereinander kommt.

 
 
Über Quantencomputer, die noch keine sind
 
2014 haben Google und die Nasa sich einen gekauft: einen "Quantencomputer" der kanadischen Firma D-Wave-Systems. Sie haben mit der Zehn-Millionen-Dollar-Investition darauf gewettet, dass die Maschine dank der Gesetze der Quantenphysik bestimmte Aufgaben deutlich schneller löst, als herkömmliche Computerchips es schaffen. Beim bisher fairsten Wettrechnen zwischen dem D-Wave-Computer und einem normalen Rechner gelang dies aber nicht, wie Forscher von Google und der ETH Zürich im Wissenschaftsmagazin "Science" berichten.
 
 
IBM gelang es schon 2001 — damals mit 7 QuBits — die Zahl 15 in Primfaktoren zu zerlegen. Statt eines Chips nutzte IBM 1018 Moleküle in einem Fläschen aus Glas: Berichtet wird: » IBM chemists designed and made a new molecule that has seven nuclear spins — the nuclei of five fluorine and two carbon atoms — which can interact with each other as qubits, be programmed by radio frequency pulses and be detected by nuclear magnetic resonance instruments similar to those commonly used in hospitals and chemistry labs.
 
The IBM scientists controlled a vial of 1018 of these molecules to execute Shor's algorithm and correctly identified 3 and 5 as the factors of 15. "Although the answer may appear to be trivial, the unprecedented control required over the seven spins during the calculation made this the most complex quantum computation performed to date", Amer said. «
 
 
 
IBM Q Experience:
    IBM arbeitet seit 1981 intensiv am Thema Quantentechnologie, um Quantensysteme für Wirtschaft und Wissenschaft zur Verfügung zu stellen. 2016 machte das Unternehmen den weltweit ersten Quantencomputer in der Cloud für die Öffentlichkeit zugänglich. Die IBM Q Experience ermöglicht es jedem registrierten Nutzer, sich über die IBM Cloud mit einem Quantensystem mit 16 Quantenbits (Qubits) zu verbinden, mit den einzelnen Qubits Algorithmen und Experimente durchzuführen, und Tutorials und Simulationen auszuprobieren, um die Möglichkeiten der Quantentechnolgie zu erkunden.
     
    Seit dem Start der Q Experience führten mehr als 75.000 Nutzer über 2.5 Millionen Experimente auf der Plattform durch. Wissenschaftler aus über 100 Ländern haben die Lernangebote genutzt und mehr als 35 wissenschaftliche Arbeiten und Artikel von Dritten wurden dazu bereits veröffentlicht.
     
    Darüber hinaus vergibt IBM Research zukünftig Preise an Professoren, Dozenten und Studenten, die die IBM Q Experience und QISKit, die zugehörige Quanten-Softwareentwicklungsumgebung, in ihren Lehrveranstaltungen sowie im Rahmen ihrer Forschungen nutzen.
     
    Seit Jan 2019 behauptet IBM, einen ersten kommerziell einsetzbaren Quantencomputer zu haben: IBM Q System One basierend auf 20 QuBits: [HB] [CW]

 
Summary of Current Status:
 
IBM hatte in der Vergangenheit bereits Systeme mit fünf beziehungsweise 14 Qubits vorgestellt. IBM und andere Anbieter experimentieren aber schon mit mit 50 Qubits.
 
Google arbeite am Quantencomputer Bristle­cone, der 72 Qubits schaffen soll.

 


aus  Notizen  zu:

QuBits und Quanten-Computer


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