Bitcoin-Magazin
Das Quantenproblem: Man kennt die Zukunft nie wirklich
Seit über einem Jahrzehnt wird darüber diskutiert, ob ein Quantencomputer eine realistische Bedrohung für das Bitcoin-Netzwerk darstellt. Es war vor über 13 Jahren ein ernstes Gesprächsthema, als ich Bitcoin zum ersten Mal selbst entdeckte.
Seit langer Zeit, als ich noch ein unbeholfener Idiot war, der herauszufinden versuchte, was hier vor sich ging, hat es sowohl in der Theorie als auch in der realen Technik große Fortschritte gegeben.
Seitdem wurden zwei wichtige Meilensteine erreicht, die einen wesentlichen Unterschied in der Wahrscheinlichkeit machen, dass irgendwann im nächsten Jahrzehnt oder so tatsächlich ein funktionsfähiger Quantencomputer hergestellt wird. Das bedeutet nicht grundsätzlich, dass es einen Punkt erreichen wird, an dem es allgegenwärtig sein wird oder dass es für diejenigen mit großen Kapitalbeträgen auch nur relativ leicht zugänglich sein wird.
Es ist jedoch durchaus möglich, dass in naher Zukunft eine Reihe brauchbarer Maschinen produziert werden.
Verbesserungen bei der Fehlerkorrektur
Die erste große Verbesserung betraf die Fehlerkorrektur. Um das inhärente Rauschen bei der Arbeit mit Dingen in diesem winzigen Maßstab zu berücksichtigen und ein logisches Qubit zu erhalten, das in der Praxis für Berechnungen nützlich ist, ist die Verwendung mehrerer redundanter physischer Qubits erforderlich.
Der bisherige Stand der Technik hierfür waren Oberflächencodes, eine Möglichkeit, mehrere physikalische Qubits in einem Gitter zu bündeln und einige von ihnen als Prüf-Qubits zu verwenden, die ihre Nachbarn regelmäßig „überprüfen“, um sicherzustellen, dass keine internen Fehler in der Überlagerung aufgetreten sind (ohne dass die Überlagerung zusammenbricht). Die leeren Räume jedes Gitters müssen mit Prüf-Qubits gefüllt werden.
Diese Prüf-Qubit-Anforderung erzeugt einen zusätzlichen Overhead, der insgesamt fast 1.000 physische Qubits pro logischem Qubit erreichen kann, und wird im Maßstab schlecht, da Prüf-Qubits nur die Qubits direkt neben ihnen prüfen können. Jede Gruppierung von Qubits muss also Steine in gleichem Abstand haben.
Quanten-Low-Density-Parity-Check-Codes (qLDPC) beseitigen diesen Engpass und ermöglichen es Prüf-Qubits, andere Qubits in großen Entfernungen zu überprüfen (entweder durch verwobene Leiterbahnen, um über Chipabschnitte hinweg zu kommunizieren, oder durch physikalische Bewegung von Atomen wie beim Neutralatom-Design) über das Gerät. Dadurch konnte die Menge an physischen Qubits, die zur Herstellung eines zuverlässigen logischen Qubits erforderlich ist, um das Zehnfache reduziert werden.
Das ist nicht zu verachten. Auch wenn es sich möglicherweise nicht um eine voll funktionsfähige Maschine handelt, die Fortschritte bei der Steigerung der Effizienz macht, sind es doch Materialeffizienzgewinne in den technischen Prozessen, die der Produktion eines voll funktionsfähigen Quantencomputers zugrunde liegen.
Fortschritte beim Nachweis der Grundlagen
Die zweite Frage betrifft eine grundlegendere Frage im Zusammenhang mit der Behauptung, dass das Hinzufügen weiterer physikalischer Qubits eher zu einer Verringerung des Gesamtrauschens im System als zu einer Erhöhung führt. Das ist zum jetzigen Zeitpunkt wirklich noch Theorie, und man muss bedenken, dass es bis heute noch nie einen voll funktionsfähigen Quantencomputer gegeben hat, der eine Berechnung durchgängig durchgeführt hat, zu der ein klassischer Computer nicht in der Lage wäre.
Google führte ein Experiment mit seinen Sycamore- (und später Willow-)Chips durch, um den Effekt des Hinzufügens weiterer physikalischer Qubits experimentell zu überprüfen. Um es ganz klar zu sagen: Dies war keine Demonstration der Durchführung von Berechnungen, sondern lediglich eine Demonstration der Speicherung von Informationen im Speicher, ohne dass diese verfallen.
Mithilfe logischer Qubits, bestehend aus einem Bündel von 17 physikalischen Qubits, einem Bündel von 49 physikalischen Qubits und einem Bündel von 101 physikalischen Qubits, zeigten sie, dass die logische Fehlerrate, also die Häufigkeit von Datenverfälschungen, mit zunehmender Anzahl physikalischer Qubits abnahm. Dieser Test überschritt einen kritischen Schwellenwert, bei dem das logische Qubit, das aus den unabhängigen physischen Qubits erstellt wurde, die Kohärenz länger aufrechterhielt als jedes einzelne physische Qubit, aus dem es bestand.
Dies ist wiederum kein Sprung zu einem voll funktionsfähigen Quantencomputer, der Berechnungen durchführt, zu denen klassische Maschinen nicht in der Lage sind, sondern es handelt sich um einen materiellen Fortschritt, der eine der Grundannahmen beweist, die Quantencomputern zugrunde liegen.
KI
Dies sind nicht die einzigen Dinge, für die wir in diesem Problembereich bessere Lösungen finden. Künstliche Intelligenz ist zu einem wichtigen Bestandteil dieser Systeme geworden. Es wird im eigentlichen Prozess des Lesens und Dekodierens von Informationen aus einem Quantencomputer verwendet, was einen großen Engpass für die tatsächliche Nutzung in großem Maßstab darstellt.
KI wird auch bei der Entwicklung neuer Quantenalgorithmen eingesetzt, die für diese Art von Maschinen optimiert sind, und angesichts der jüngsten Flut von KI, die dabei hilft, große Probleme auf dem Gebiet der Mathematik zu lösen (oder sogar bestehende Vermutungen zu widerlegen), ist es nicht wirklich ein verrückter Sprung, die Möglichkeit großer Durchbrüche durch KI in Betracht zu ziehen.
Sie werden auf die gleiche Weise genutzt, um die eigentlichen physikalischen Quantenschaltkreise zu entwerfen, die auf unterschiedlichen Architekturen aufgebaut sind. Dabei handelt es sich tatsächlich um ein sehr komplexes Problem: Es geht darum, den optimalen Weg zu finden, Quantengatter in einem physikalischen Raum anzuordnen, um das Rauschen auf der Quantenebene zu minimieren, ohne so viel Leerraum zu schaffen, dass Latenz, Ineffizienz und andere zu lösende Probleme entstehen.
Dies ist ein Faktor, der den Fortschritt bei der Lösung der notwendigen grundlegenden Probleme durchaus beschleunigen könnte.
Ausblick voraus
Letztlich läuft es meiner Meinung nach auf eine Frage hinaus: Gilt die Annahme, dass das Hinzufügen weiterer physikalischer Qubits das Rauschen reduziert, tatsächlich, wenn es um Berechnungen und die aktive Manipulation von Quanteninformationen geht?
Wenn diese Annahme zutrifft und nicht irgendwann in naher Zukunft experimentell widerlegt wird, dann gibt es meines Erachtens sehr realistische Argumente dafür, dass in den nächsten zehn Jahren ein funktionsfähiger Quantencomputer hergestellt wird.
Es werden enorme Ressourcen in dieses Problem gesteckt, erhebliche (aber nicht überwältigende) Fortschritte bei der Lösung von Teilen des Problems erzielt, und wenn es grundsätzlich einen Weg gibt, etwas zu tun, finden die Menschen ihn normalerweise heraus.
Ich sage nicht, dass es Zeit ist, in Panik zu geraten, aber schließen Sie die Möglichkeit nicht aus.
Dieser Artikel wird in der neuesten Printausgabe des Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, vorgestellt. Wir teilen es hier als ersten Blick auf die Ideen, die in der gesamten Ausgabe untersucht wurden.