Das "Quantenvolumen" -Konzept von IBM schlägt vor, den Fortschritt des Quantencomputers über das Zählen von Qubits hinaus zu messen
IBM hat den Begriff "Quantenvolumen" geprägt, um den Fortschritt im Quantencomputer zu messen, während die Quantentechnologie noch lange nicht ideal ist. Das
Messen des Fortschritts von Quantencomputern in einer Ära des "verrauschten" Quantencomputers kann eine Herausforderung sein. Einige Unternehmen, insbesondere IBM und Honeywell, haben sich auf Fortschritte wie das "Quantenvolumen" festgelegt. Allerdings sind sich nicht alle Unternehmen und Forscher über die Nützlichkeit dieser Maßnahme in der Welt des Quantencomputers einig.
In einer idealen Welt könnten Forscher den Fortschritt des Quantencomputers anhand der Anzahl der Quantenbits (Qubits) in jedem der Computer messen. Rauschen von thermischen Bewegungen oder elektromagnetischen Quellen droht jedoch ständig die von fragilen Qubits durchgeführte Berechnung zu zerstören. Infolgedessen ist es sehr schwierig, die Fähigkeiten von Quantencomputern allein anhand der Gesamtzahl der Qubits zuverlässig zu bewerten. Daher schlugen Forscher von IBM vor , das Konzept des Quantenvolumens als zuverlässigere Maßnahme einzuführen, die in dieser Entwicklungsphase der noch nicht idealen Technologie des Quantencomputers anwendbar ist.
"Sie können sich das Quantenvolumen als die durchschnittliche Anzahl von Schaltkreisen in einem Quantencomputer vorstellen, die unter den schlechtesten Bedingungen arbeiten", sagt Jay Gambetta , Forschungswissenschaftler und Vizepräsident für Quantencomputer bei IBM. „Das Ergebnis bedeutet, dass das Quantenvolumen ein Maß für die Qualität der Schaltkreise ist, wenn dieser‚ schlimmste Fall 'möglich ist. Je höher die Qualität, desto komplexer können Schaltungen auf Quantencomputern arbeiten. "
Insbesondere definiert das IBM-Team das Quantenvolumen als zwei Potenzen entsprechend der Größe der größten Kette mit derselben Breite und Tiefe, die bestimmte Zuverlässigkeitstests bestehen kann. Studien validieren zufällige Zwei-Qubit-Gateways, sagt Daniel Lidar, Direktor des Zentrums für Quanteninformationswissenschaft und -technologie an der University of Southern California in Los Angeles. Die Größe der Kette wird entweder durch die Breite basierend auf der Anzahl der Qubits oder durch die Tiefe basierend auf der Anzahl der Schlösser bestimmt. In diesem Fall sind Breite und Tiefe quantitativ gleich.
Dies bedeutet, dass ein Quantencomputersystem mit 6 Qubits ein Quantenvolumen von 2 gleich der Potenz von 6 oder 64 hat - aber nur, wenn seine Qubits relativ wenig vom Rauschen abhängen, ohne damit verbundene Fehler auszugeben. Um das Quantenvolumen zu bestimmen, ist daher die Wahl eines bestimmten Zuverlässigkeitstests wichtig.
Lidar, der nicht am Konzept des Quantenvolumens beteiligt war, hält es für eine nützliche Maßnahme für die heutigen Quantencomputer. Ihre Technologie heißt Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ). „Diese Metrik beschreibt perfekt die Leistung von Quantencomputern in der NISQ-Ära. Diese Ära ist gekennzeichnet durch die Tatsache, dass Rauschen immer noch einer der Hauptfaktoren ist, die die Tiefe zuverlässig arbeitender Schaltkreise begrenzen. "
Seit IBM den Begriff Ende 2019 aktiv verwendet, ist das Quantenvolumen in Quantencomputerpapieren und Pressemitteilungen von IBM und anderen Unternehmen, insbesondere Honeywell, bereits weit verbreitet . Mindestens ein Direktor eines Technologieunternehmens hat jedoch bereits die Idee geäußert, dass der Nutzen des Begriffs bald erschöpft sein wird.
In einem Interview mit IonQ, in dem die neuesten Entwicklungen bei Quantencomputern von IonQ diskutiert wurden , erklärte Peter Chapman, wie die Rauschunterdrückung ein hochgenaues 32-Qubit-System mit einem Quantenvolumen von 4 Millionen ermöglichen kann. Forscher müssen die Definition ändern, damit sie nützlich bleibt.
Lidar stimmt jedoch nicht zu, dass der Begriff "Quantenvolumen" schnell in Vergessenheit geraten wird. Er weist darauf hin, dass das Quantenvolumen nur aufgrund des Teils der Definition, in dem zwei zur Macht erhoben werden, so schnell wachsen wird. Er fügte hinzu, dass IBM diese Potenzierung bei seinem ersten Job nicht einmal verwendet habe .zu diesem Thema im Jahr 2017 veröffentlicht. "Es ist nur ein Fehler in der Definition selbst", sagt Lidar.
Laut Lidar wäre es am einfachsten, das Quantenvolumen anhand der größten Anzahl von Qubits oder Gateways zu bestimmen und keine Exponentiation zu verwenden.
Nicht jeder betrachtet das Quantenvolumen als einen so wichtigen oder notwendigen Maßstab für die Beurteilung des Fortschritts des Quantencomputers. Es ist unklar, ob der Fortschritt von Quantencomputern überhaupt auf einen einzigen Maßstab reduziert werden sollte, sagt Scott Aaronson , Informatiker und Direktor des Quanteninformationszentrums an der Universität von Texas in Austin. Diese und andere Fragen zum Thema hat er in seinem Artikel " Screw in the Quantum Volume " [ Volumen - Volumen sowie Volumen / ca. übers. ].
"Dies ist nur ein weiterer möglicher allgemeiner Verbraucherindex für die Coolness von Quantencomputern unter den unzähligen Alternativen", sagt Aaronson.
Aus praktischer Sicht sind nur die großen Akteure der Branche wie IBM über das Quantenvolumen besorgt. So sagt Javad Shabani , außerordentlicher Professor für Physik und Vorsitzender des Shabani-Labors an der New York University. Er und andere Forscher haben normalerweise keinen Zugang zu solch großen Quantensystemen, selbst wenn man bedenkt, dass immer mehr Unternehmen Programmierern Cloud-Zugang zu solchen Systemen bieten.
Dennoch sieht Shabani das Quantenvolumen als ein nützliches Konzept, das den Fortschritt im Quantencomputer aussagekräftiger definiert als nur das Zählen von Qubits. Er schlägt wie Lidar vor, das Quantenvolumen im Geschäft zu belassen, während Rauschen der begrenzende Faktor ist - sei es in den nächsten fünf oder zehn Jahren.
„Wenn Sie ein logisches Qubit erstellen können, das keinem Rauschen ausgesetzt ist, verschwindet dieses Konzept des Quantenvolumens auf natürliche Weise langsam“, sagt Shabani.