Forscher entwickeln Methode zur Messung von Quantencomputern

Forscher der University of Waterloo haben eine Methode zur Messung der Leistung von Quantencomputern entwickelt und könnten dabei helfen, universelle Standards für die Maschinen zu etablieren. 

Die neue Methode heißt Cycled Benchmarking und Forscher nutzen sie, um das Skalierbarkeitspotenzial abzuschätzen. Die Methode wird auch verwendet, um verschiedene Quantenplattformen miteinander zu vergleichen. 

Joel Wallman ist Assistenzprofessor an der Fakultät für Mathematik und am Institut für Quantencomputing von Waterloo.

„Diese Erkenntnis könnte einen großen Beitrag zur Festlegung von Leistungsstandards leisten und die Bemühungen zum Bau eines großen, praktischen Quantencomputers stärken“, sagte Wallman. „Eine konsistente Methode zur Charakterisierung und Korrektur der Fehler in Quantensystemen sorgt für eine Standardisierung der Art und Weise, wie ein Quantenprozessor bewertet wird, und ermöglicht so einen fairen Vergleich der Fortschritte in verschiedenen Architekturen.“

Cycle Benchmarking hilft Anwendern von Quantencomputing, konkurrierende Hardwareplattformen zu vergleichen und die Fähigkeit jeder Plattform zu erhöhen, Lösungen für das zu finden, woran sie gerade arbeiten.

Zu diesem Zeitpunkt zeichnet sich überall auf der Welt ein Wettlauf um Quantencomputer ab. Die Zahl der Cloud-Quantencomputing-Plattformen und -Angebote nimmt zu und große Unternehmen wie Microsoft, IBM und Google entwickeln ständig neue Technologien. 

Die Zyklus-Benchmarking-Methode funktioniert durch die Bestimmung der Gesamtfehlerwahrscheinlichkeit bei einer bestimmten Quantencomputeranwendung. Dies geschieht, wenn die Anwendung durch zufälliges Kompilieren implementiert wird. Cycle Benchmarking bietet die erste plattformübergreifende Möglichkeit, die Fähigkeiten von Quantenprozessoren zu messen und zu vergleichen, und wird je nach den Anwendungen, an denen die Benutzer arbeiten, angepasst. 

Joseph Emerson ist Fakultätsmitglied am IQC.

„Dank Googles jüngster Errungenschaft der Quantenüberlegenheit stehen wir nun am Beginn dessen, was ich das ‚Zeitalter der Quantenentdeckungen‘ nenne“, sagte Emerson. „Das bedeutet, dass fehleranfällige Quantencomputer Lösungen für interessante Rechenprobleme liefern werden, die Qualität ihrer Lösungen jedoch von Hochleistungscomputern nicht mehr überprüft werden kann.

"Wir freuen uns, dass Cycle Benchmarking eine dringend benötigte Lösung zur Verbesserung und Validierung von Quantencomputerlösungen in dieser neuen Ära der Quantenentdeckung darstellt."

Emerson und Wallman gründeten Quantum Benchmark Inc., ein IQC-Spin-off. Es lizenzierte die Technologie an weltweit führende Unternehmen im Bereich Quantencomputing, einschließlich Googles Quantum AI-Projekt.

Die Quantenmechanik machte Quantencomputer zu äußerst leistungsstarken Rechenmaschinen. Quantencomputer sind in der Lage, komplexe Probleme effizienter zu lösen als herkömmliche oder digitale Computer. 

Quibits sind die grundlegende Verarbeitungseinheit in einem Quantencomputer, aber sie sind äußerst fragil. Jede Art von Unvollkommenheit oder Rauschquelle im System kann zu bestimmten Fehlern führen, die bei einer Quantenberechnung zu falschen Lösungen führen.

Der erste Schritt zur Weiterentwicklung des Quantencomputings besteht darin, die Kontrolle über einen kleinen Quantencomputer mit einem oder zwei Quibits zu erlangen. Ein größerer Quantencomputer könnte komplexere Aufgaben wie maschinelles Lernen oder komplexe Systemsimulationen ausführen, was zu Fortschritten wie der Entdeckung neuer Arzneimittel führen könnte. Das Problem besteht darin, dass die Entwicklung eines größeren Quantencomputers eine größere Herausforderung darstellt und die Fehlerwahrscheinlichkeit umso größer ist, je mehr Quibits hinzugefügt werden und das Quantensystem skaliert. 

Bei der Charakterisierung eines Quantensystems wird ein Profil des Rauschens und der Fehler erstellt. Dies zeigt an, ob der Prozessor die von ihm angeforderten Berechnungen durchführt. Alle signifikanten Fehler müssen charakterisiert werden, um die Leistung eines Quantencomputers zu verstehen oder zu skalieren. 

Wallman, Emerson und eine Gruppe von Forschern der Universität Innsbruck haben eine Methode entwickelt, um alle Fehlerraten zu bewerten, die einen Quantencomputer betreffen. Die neue Technik wurde für den Ionenfallen-Quantencomputer an der Universität Innsbruck implementiert und ergab, dass die Fehlerraten nicht steigen, wenn die Größe dieses Quantencomputers zunimmt. 

"Cycle Benchmarking ist die erste Methode, um zuverlässig zu überprüfen, ob Sie auf dem richtigen Weg sind, um das Gesamtdesign Ihres Quantencomputers zu vergrößern", sagte Wallman. "Diese Ergebnisse sind von Bedeutung, da sie eine umfassende Möglichkeit zur Charakterisierung von Fehlern auf allen Quantencomputerplattformen bieten."