Bitcoin Magazine
Die Quanten-Ausgabe: Man kennt die Zukunft nie wirklich
Seit über einem Jahrzehnt wird darüber gestritten, ob ein Quantencomputer eine realistische Bedrohung für das Bitcoin-Netzwerk darstellt. Vor über 13 Jahren, als ich Bitcoin selbst zum ersten Mal entdeckte, war das bereits ein ernst genommenes Gesprächsthema.
Seit jener längst vergangenen Zeit, als ich noch ein stümperhafter Trottel war, der herauszufinden versuchte, was hier eigentlich vor sich geht, hat es enorme Fortschritte gegeben, sowohl in der Theorie als auch in der praktischen Ingenieurarbeit.
Seither wurden zwei wichtige Meilensteine erreicht, die einen echten Unterschied für die Wahrscheinlichkeit machen, dass irgendwann in den nächsten zehn Jahren tatsächlich ein tauglicher Quantencomputer entsteht. Das heißt nicht zwangsläufig, dass er allgegenwärtig wird oder auch nur für jene mit großem Kapital verhältnismäßig leicht zugänglich sein wird.
Aber es ist durchaus möglich, dass in naher Zukunft eine Reihe tauglicher Maschinen gebaut wird.
Fortschritte bei der Fehlerkorrektur
Die erste große Verbesserung betrifft die Fehlerkorrektur. Um dem Rauschen Rechnung zu tragen, das der Arbeit auf dieser winzigen Skala innewohnt, braucht man mehrere redundante physische Qubits, um ein logisches Qubit zu erhalten, das in der Praxis für Berechnungen nützlich ist.
Der bisherige Stand der Technik dafür waren die sogenannten Surface-Codes – eine Methode, bei der mehrere physische Qubits in einem Raster zusammengefasst werden und einige von ihnen als Prüf-Qubits dienen, die ihre Nachbarn regelmäßig „überprüfen“, um sicherzustellen, dass in der Superposition keine internen Fehler aufgetreten sind (ohne die Superposition zusammenbrechen zu lassen). Jede freie Stelle im Raster muss mit Prüf-Qubits gefüllt werden.
Diese Anforderung an Prüf-Qubits erzeugt einen zusätzlichen Aufwand, der sich insgesamt an 1,000 physische Qubits pro logischem Qubit annähern kann, und im großen Maßstab wird es schlimm, weil Prüf-Qubits nur die unmittelbar benachbarten Qubits überprüfen können. Jede Gruppierung von Qubits braucht daher Prüfer in gleichmäßigem Abstand.
Quanten-Low-Density-Parity-Check-Codes (qLDPC) beseitigen diesen Engpass, indem sie es Prüf-Qubits ermöglichen, andere Qubits auch über große Entfernungen hinweg zu überprüfen (entweder durch ineinander verwobene Leiterbahnen, die über Chipabschnitte hinweg kommunizieren, oder durch das physische Bewegen von Atomen wie beim Neutralatom-Design) – quer über das gesamte Bauteil. Dadurch ließ sich die Zahl der physischen Qubits, die für ein zuverlässiges logisches Qubit nötig sind, um das 10x verringern.
Das ist keine Kleinigkeit. Auch wenn es noch keine voll funktionsfähige Maschine ist, die immer effizienter wird, sind es doch echte Effizienzgewinne bei den Fertigungsprozessen, die der Herstellung eines voll funktionsfähigen Quantencomputers zugrunde liegen.
Fortschritte beim Beweis der Grundlagen
Beim zweiten geht es um eine grundlegendere Frage rund um die Behauptung, dass das Hinzufügen weiterer physischer Qubits zu einer Verringerung und nicht zu einer Zunahme des Gesamtrauschens im System führt. Das ist an diesem Punkt tatsächlich noch reine Theorie, und man muss bedenken, dass es bis heute noch nie einen voll funktionsfähigen Quantencomputer gab, der von Anfang bis Ende eine Berechnung durchgeführt hätte, zu der ein klassischer Computer nicht in der Lage ist.
Google führte mit seinen Sycamore- (und später Willow-) Chips ein Experiment durch, um die Wirkung des Hinzufügens weiterer physischer Qubits experimentell zu überprüfen. Um es ganz klar zu sagen: Das war keine Vorführung des Durchführens von Berechnungen, sondern lediglich eine Vorführung des Speicherns von Informationen im Speicher, ohne dass sie zerfallen.
Sie zeigten anhand logischer Qubits, die aus einem Bündel von 17 physischen Qubits, einem Bündel von 49 physischen Qubits und einem Bündel von 101 physischen Qubits bestanden, dass die logische Fehlerrate – die Häufigkeit von Datenverfälschungen – mit steigender Zahl physischer Qubits sank. Dieser Test überschritt eine kritische Schwelle, bei der das aus den einzelnen physischen Qubits erzeugte logische Qubit seine Kohärenz länger aufrechterhielt als jedes einzelne physische Qubit, aus dem es zusammengesetzt war.
Auch das ist wiederum kein Sprung zu einem voll funktionsfähigen Quantencomputer, der Berechnungen ausführt, zu denen klassische Maschinen nicht in der Lage sind, doch es ist ein echter Fortschritt beim Beweis einer der grundlegenden Annahmen, die Quantencomputern zugrunde liegen.
KI
Das sind auch nicht die einzigen Dinge, für die wir in diesem Problemfeld bessere Lösungen finden. Künstliche Intelligenz ist zu einem wichtigen Bestandteil dieser Systeme geworden. Sie wird im eigentlichen Prozess des Auslesens und Dekodierens von Informationen aus einem Quantencomputer eingesetzt – ein großer Engpass, wenn man ihn tatsächlich im großen Maßstab nutzen will.
KI wird außerdem bei der Entwicklung neuer, für diese Art von Maschinen optimierter Quantenalgorithmen eingesetzt, und angesichts der jüngsten Welle, in der KI hilft, große Probleme der Mathematik zu lösen (oder sogar bestehende Vermutungen zu widerlegen), ist es gar kein so verrückter Gedanke, die Möglichkeit großer, durch KI herbeigeführter Durchbrüche in Betracht zu ziehen.
Sie wird zum selben Zweck auch beim eigentlichen Entwurf der physischen Quantenschaltkreise eingesetzt, die mit unterschiedlichen Architekturen aufgebaut werden. Das ist tatsächlich ein sehr komplexes Problem: den optimalen Weg zu finden, Quantengatter in einem physischen Raum anzuordnen, um das Rauschen auf Quantenebene zu minimieren, ohne dabei so viel Leerraum zu schaffen, dass man Latenz, Ineffizienz und weitere zu lösende Probleme einführt.
Das ist ein Faktor, der die Fortschritte beim Lösen der notwendigen grundlegenden Probleme durchaus enorm beschleunigen könnte.
Ein Blick nach vorn
Letztlich läuft es meiner Meinung nach auf eine Frage hinaus: Hält die Annahme, dass das Hinzufügen weiterer physischer Qubits das Rauschen verringert, auch dann stand, wenn es um Berechnungen und die aktive Manipulation von Quanteninformation geht?
Sollte diese Annahme standhalten und nicht irgendwann in naher Zukunft experimentell widerlegt werden, dann sehe ich einen sehr realistischen Fall dafür, dass in den nächsten zehn Jahren ein tauglicher Quantencomputer entsteht.
Es werden gewaltige Ressourcen auf dieses Problem geworfen, es gibt beträchtliche (wenn auch nicht überwältigende) Fortschritte beim Lösen von Teilaspekten des Problems, und wenn es grundsätzlich einen Weg gibt, etwas zu tun, dann finden Menschen ihn in der Regel heraus.
Ich sage nicht, dass es Zeit ist, in Panik zu geraten, aber tu die Möglichkeit nicht ab.
Dieser Beitrag erscheint in der neuesten Printausgabe von Bitcoin Magazine, der Quanten-Ausgabe. Wir teilen ihn hier als frühen Vorgeschmack auf die Ideen, die in der gesamten Ausgabe erkundet werden.
Dieser Beitrag Die Quanten-Ausgabe: Man kennt die Zukunft nie wirklich erschien zuerst auf Bitcoin Magazine und stammt von Shinobi.
Quelle: BitcoinMagazine
