Verstaendnisprobleme beim Quantencomputer

27/06/2013 - 09:24 von Manuel Rodriguez | Report spam
Das Thema Quantencomputer gibt mir Ràtsel auf, irgendwie scheint die Sache àußerst kompliziert zu sein und da wollte ich mal nachfragen, ob mir jemand auf die Sprünge helfen könnte um einen Einstieg zu finden? Da das Usenet bekanntermaßen keine reine Antwortmaschine ist, möchte ich kurz erlàutern, was meine eigene Google Recherche bereits erbracht hat. Falls die Sache zu unwissenschaftlich werden sollte, steht es jedem frei an beliebiger Stelle mit dem Lesen abzubrechen oder aber korrigierend einzugreifen ...

Zunàchst einmal geht es nicht um Quantencomputer sondern um ganz normale Rechner die man bei Amazon kaufen kann. Derzeit aktuell sind z.B. Intel Xeon Prozessoren in der Fertigungsgröße von 22 nm. Diese kann man für rund 300 EUR kàuflich erwerben, in ein geeignetes Motherboard einstecken und losrechnen. D.h. man braucht eine Intel CPU, ein Betriebssystem und noch einen C-Compiler. Das ganze Verfahren ist nachprüfbar und diese Rechner gibt es wirklich. Normale Silizium-Prozessoren sind aus Millionen von Transistoren aufgebaut (kleine Schalter, die über elektrischen Strom an oder ausgeschaltet werden). Damit kann man Rechenwerke konstruieren, also eine Anordnung von Transistoren. Konrad Zuse hat beispielsweise 3000 Transistoren dafür benötigt (mechanische Relais), und je mehr man von ihnen verbaut desto schneller wird der Computer. Gleichzeitig kann man den Stromverbrauch dadurch senken, indem man den Fertigungsprozess vermindert. Ein Fortschritt wàre es beispielsweise, wenn man nicht in 22 nm fertigen würde, sondern nur in 1 nm oder noch kleiner.

Um einen Transistor in der Größe von 1 nm zu fertigen ist es notwendig zu wissen, dass normale Atome bereits diese Größe besitzen. D.h. ein Transistor wàre dann nur noch so groß wie ein Atom. Gleichzeitig entstehen auf dieser atomaren Ebene Quanteneffekte. Demnach ist der Quantencomputer keineswegs ein neues Paradigma, sondern lediglich die konsequente Weiterführung der Minituarisierung.

Normale Transistoren wie sie im Intel Xeon Verwendung finden basieren auf elektrischen integrierten Schaltkreisen. D.h. über einen Elektronenleiter wie Kupfer oder Silizium wird eine Spannung geleitet um damit etwas zu bewirken. Denkt man dieses Konzept weiter, so wàren Lichtteilchen besser geeignet um Ladungen zu transportieren. Genauer gesagt sind Lichtwellenkabel die Fortentwicklung von Kupfer/Silizium-kabel. Auch aus Lichtwellenkabeln kann man Schaltkreise aufbauen. Diese Technologie heißt dann nicht mehr Mikroelektronik, sondern Nanophotonics und wird im Bereich optischer Netzwerke bereits industriell eingesetzt. Man kann über Glasfasernetze hohe Bandbreiten über lange Strecken erreichen. Licht ist demnach die nàchste Stufe in der Mikroelektronik.

Aber neben der reinen Informationsübertragung kann man auch einen Transistor in einem lichtwellenbasierten Schaltkreis aufbauen, und zwar ist das eine Fotodiode. Also ein Bauteil dass optisch angesteuert wird und entweder 0 oder 1 annehmen kann. D.h. Konrad Zuse hàtte seine Postrelais durchaus durch Fotodioden ersetzen können. Er hàtte ebenfalls 3000 Stück davon benötigt um ein Rechenwerk zu konstruieren und sein Computer hàtte funktioniert.

Insofern ist die Sache ziemlich eindeutig wie ein fortschrittlicher Computer der Zukunft aussehen wird:
1. Der Fertigungsprozess betràgt 1 nm oder kleiner
2. Anstatt elektrischer Transistoren werden optische Transistoren verwendet

Durch diese beiden Parameter ist zwangslàufig eine quantenàhnliche Situation gegeben. D.h. sobald man auf sehr kleinen Strukturbreiten arbeitet und Licht als Ladungstràger verwendet wird man automatisch Quanteneffekte erzeugen. Gezwungenermaßen wird also ein optischer Computer in diese Kategorie eingeordnet werden. Es gibt demnach keine photonischen Computer die nicht gleichzeitig Quantencomputer sind. Außer, man baut ein sehr großes Versuchsmodell und verwendet wirklich handelsübliche Fotodioden mit einer Größe von 1 cm je Stück. Dann kann man ausschließen, dass Quanteneffekte auftreten. Allerdings braucht man für richtige schnelle Prozessoren sehr viele Transistoren und deshalb kommt man um eine Minituarisierung nicht herum.

Die Anzahl der nötigen optischen Transistoren entspricht ungefàhr derjenigen Zahl, die man auch für Silizum Computer benötigt. Wenn ein Intel Xeon über 1 Mio Transistoren verfügt dann braucht ein optischer Quantencomputer die selbe Zahl. Wirklich? Laut einigen Artikeln aus dem WWW ist dem nicht so. Ein Transistor im Quantenumfeld wird als qubit bezeichnet und es wird behaupet, dass ein qubit ausreichen würde um ganz viele normale Transistoren zu ersetzen. In welcher Relation weiß ich nicht. Es hieß lediglich, dass sich mit jedem zusàtzlichen qubit die Rechengeschwindigkeit verdoppeln würde. D.h. ein Quantencomputer mit 5 qubit rechnet doppelt so schnell wie einer mit 4 qubit.

In vielen Veröffentlichungen zum Thema Quantencomputer heißt es immer, man könne sie nicht mit normalen Computern vergleichen. Aber genau das dürfte das Ziel sein. Um derartige Vergleiche anzustellen wurden beispielsweise emulierte Quantencomputer entwickelt, also eine Softwarebibliothek um auf einem normalen Intel Xeon CPU Cluster einen Quantencomputer zu emulieren. Da die Emulation halbwegs effizient ablàuft kann man ungefàhr abschàtzen, ab wann der Intel Cluster damit ausgelastet sein wird. D.h. wiviel normale Transistoren man benötigt um 42, 100 oder noch mehr qubits zu emulieren. In [1] werden konkrete Zahlen genannt. Zunàchst vielleicht die Leistungsdaten des normalen Computers:
- Name: Jugene
- Größe: 300000 Prozessoren
- Rechenleistung: 1 Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde (^15 Flops = 1 Petaflops)

Jetzt die Daten des zu emulierenden Quantencomputers:
- Name: unbekannt
- Größe: 42 qubits
- absolute Rechenleistung: unbekannt
- relative Rechenleistung: wenn ein qubit mehr, dann verdoppelt sich die Rechenleistung

Aus einer anderen Quelle war in Erfahrung zu bringen, dass Jugene insgesamt nur über 1 Petaflops verfügt, d.h. wenn er den Quantencomputer emuliert ist er vollstàndig ausgelastet. Man kann daraus indirekt auf die Rechenleistung des Quantencomputers folgern:
- 42 qubits = 1 Petaflops
- 43 qubits = 2 Petaflops
- 44 qubits = 4 Petaflops
- 45 qubits = 8 Petaflops (45-42=3, 2^3=8)
- 512 qubits = 3*10^141 Petaflops (512-42G0, 2^470=3*10^141

Die Zahl 512 qubits ist aus dem Marketingprospekt der Firma d-wave entnommen und soll dort ohne Emulation erreicht worden sein. Um einen d-Wave two zu emulieren benötigt man einen herkömlichen Supercomputer mit 3*10^141 Petaflops.


Soweit zu den Informationen, die ich bisher in Erfahrung bringen konnte. Unklar ist mir noch die genaue Zahl an Transistoren die man benötigt um ein qubit nachzubilden. Oder anders gesagt wieviel Transistoren ein qubit ersetzen kann. Denn letztlich funktionieren auch Quantenchips über Schalter. Jeder Computer arbeitet mit Transistoren, nur so ist ein Rechenwerk überhaupt vorstellbar. Wenn mir hier jemand weiterhelfen könnte, würde ich mich freuen.

QUELLEN
[1] Jugene simuliert Quantencomputer mit 42 Qbit, http://www.golem.de/1003/74204.html
 

Lesen sie die antworten

#1 JMS
27/06/2013 - 12:20 | Warnen spam
Wenn du bei einer normalen CPU die bauteilgrösse weiter verkleinerst,
bekommst du zwar quanteneffekte, aber keine, die du willst. Du bekommst
quanteneffekte, die deine prozesse stören. Aber du bekommst damit
keine quanteneffekte, die dir behilflich sind.

JMS

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