Quantenberechnung

Computer haben fast alle Bereiche der Wirtschaft und Wissenschaft infiltriert und werden immer schneller. Dennoch stoßen Forscher routinemäßig auf Probleme, die selbst die leistungsstärksten Supercomputer nicht lösen können. Abhilfe könnten Quantencomputer sein, die die fantastischen Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, um solche Probleme in Sekunden statt in Jahrhunderten zu lösen. Seit den 1980er Jahren haben Physiker in akademischen Labors und bei Firmen wie IBM, Hewlett-Packard und NEC eine Vielzahl von Quantencomputing-Ansätzen verfolgt, aber keiner scheint in weniger als 10 Jahren eine funktionierende Maschine zu liefern.

Begleitung: D-Wave-Systeme

Intels Durchbruch

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2005



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Hauptquartier: Vancouver, British Columbia

Investierter Betrag: 22 Millionen US-Dollar (ca. 17,5 Millionen US-Dollar in den USA)

Hauptinvestor: Tuchmacher Fisher Jurvetson

Wichtige Gründer: Geordie Rose, Alexandre Zagoskin, Bob Wiens, Haig Farris

Technologie: Quantencomputer

Das Vancouver-Startup D-Wave Systems will jedoch innerhalb von drei Jahren einen Quantencomputer bauen. Es wird kein voll funktionsfähiger Quantencomputer der Art sein, den man sich lange vorgestellt hatte; aber D-Wave ist auf dem besten Weg, eine spezielle, verrauschte Quantenhardware zu produzieren, die viele der physikalischen Simulationsprobleme lösen könnte, die heutige Computer überfordern, sagt David Meyer, ein Mathematiker, der an Quantenalgorithmen an der University of California arbeitet. San Diego.

Der Unterschied zwischen dem D-Wave-System und anderen Quantencomputerdesigns besteht in den besonderen Eigenschaften der Quantenmechanik, die sie ausnutzen. Andere Systeme beruhen auf einer Eigenschaft namens Verschränkung, die besagt, dass zwei beliebige Teilchen, die in der Vergangenheit interagiert haben, auch wenn sie jetzt räumlich getrennt sind, immer noch die Zustände des anderen beeinflussen können. Diese Interdependenz wird jedoch leicht durch die Wechselwirkungen der Teilchen mit ihrer Umgebung gestört. Im Gegensatz dazu nutzt das Design von D-Wave die weitaus robustere Eigenschaft der Quantenphysik, die als Quantentunneln bekannt ist und es Teilchen ermöglicht, auf magische Weise von einem Ort zum anderen zu springen.

D-Wave wurde im April 1999 gegründet und entstand als eine Reihe von Gesprächen zwischen Studenten und Dozenten an der University of British Columbia. Im Laufe der Jahre hat es geistiges Eigentum angehäuft und seinen Fokus verkleinert, während es fast 18 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln angezogen hat, zunächst von Angel-Investoren und in jüngerer Zeit von der kanadischen und deutschen Regierung sowie von Risikokapitalfirmen. Das Unternehmen plant, bis Ende 2006 einen Geräteprototyp fertigzustellen; Eine Version, die kommerzielle Probleme lösen kann, könnte bis 2008 fertig sein, sagt Präsident und CEO Geordie Rose.

ist das Spektrum unten?

Die Aggressivität des Zeitplans von D-Wave wird durch die Einfachheit des Gerätedesigns ermöglicht: ein analoger Chip aus Niedertemperatur-Supraleitern. Der Chip muss mit flüssigem Helium auf -269 °C gekühlt werden, benötigt jedoch nicht die empfindlichen hochmodernen Laser, Vakuumpumpen und andere exotische Maschinen, die andere Quantencomputer benötigen.

Das Design ist auch für die Lithographietechniken geeignet, die zur Herstellung von Standardcomputerchips verwendet werden, was die Herstellung weiter vereinfacht. D-Wave strukturiert eine Reihe von Schleifen aus Niedertemperatur-Supraleitern wie Aluminium und Niob auf einem Chip. Fließt Strom durch sie, wirken die Schleifen wie kleine Magnete. Zwei Kühlschrankmagnete drehen sich auf natürliche Weise um, sodass sie zusammenkleben und die Energie zwischen ihnen minimiert. Die Schleifen im D-Wave-Chip verhalten sich ähnlich und drehen die Richtung des Stromflusses vom Uhrzeigersinn in den Gegenuhrzeigersinn, um den magnetischen Fluss zwischen ihnen zu minimieren. Je nach Problemstellung ist der Chip so programmiert, dass der Strom durch jede Schleife in eine bestimmte Richtung fließt. Die Schleifen drehen sich dann spontan um, bis sie einen stabilen Energiezustand erreichen, der die Lösung des Problems darstellt.

Der erste Computer von D-Wave wird nicht in der Lage sein, den am weitesten verbreiteten Gewinn des Quantencomputings zu erfüllen: die extrem großen Zahlen im Herzen moderner kryptografischer Systeme exponentiell schneller zu faktorisieren als jeder bekannte Computer. Es wird jedoch ideal geeignet sein, um Probleme wie das berüchtigte Handelsreisendenproblem zu lösen, bei dem ein Verkäufer nach der optimalen Route zwischen Städten sucht. Mit zunehmender Komplexität werden solche Probleme für herkömmliche Computer schnell unlösbar, da jede mögliche Antwort untersucht werden muss. Auf der Suche nach seinem eigenen optimalen Energiezustand führt der Chip von D-Wave genau diese Art von Berechnung automatisch in Sekunden durch. Zu den Anwendungen – einige im Wert von mehreren Milliarden Dollar – gehören die Optimierung so unterschiedlicher Elemente wie LKW-Routen, Finanzportfolios und sogar das Layout herkömmlicher Computerchips. D-Wave-Mitarbeiter Oliver Downs sagt, dass der Chip von D-Wave sich auch bei der Modellierung anderer Quantensysteme auszeichnen sollte, wie etwa der molekularen Wechselwirkungen, die Nanomaterialien oder Medikamente charakterisieren.

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Obwohl sie robuster sind als typische Quantencomputer, werden die Systeme von D-Wave immer noch empfindlich sein. Das Unternehmen will also eher Lösungen als Computer verkaufen, sagt Rose. Ein Kunde führt ein Programm zur Lösung eines bestimmten Problems auf seinen eigenen Computern aus. Wenn das Programm auf den unlösbaren Teil des Problems stößt, ruft es den Computer von D-Wave aus der Ferne auf, um eine Subroutine auszuführen. Für viele spezialisierte Anwendungen hat eine solche dedizierte Hardware das Potenzial, selbst die cleverste Software, die auf einem Allzweckcomputer läuft, überlegen zu sein, sagt Meyer von UCSD.

Und während viele Ansätze des Quantencomputings an eine Wand gestoßen sind und an die Grenzen von Lasern und anderen Geräten gestoßen sind, glaubt Downs, dass die frühen experimentellen Ergebnisse von D-Wave darauf hindeuten, dass der Chip genau im Zeitplan liegt. Obwohl Meyer sagt, er könne nicht abschätzen, ob das Unternehmen die selbst gesetzten Fristen einhalten wird, glaubt er, dass es gelingen wird, eine Maschine zu bauen, die genau solche Probleme lösen kann, die es sich vorstellt. Sie haben sowohl sehr gute Experimentalisten als auch einige ziemlich ernsthafte Theorieleute beschäftigt, sagt er. Dies ist sicherlich der Weg, um diese Art von Problem anzugehen, um es in nichtakademischer Zeit zu verwirklichen.

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