Monday, 06. November 2017

Saarbrücker Physiker beschleunigen Rechnen mit Quanten-Prozessoren der kommenden Generation

Für nächstes Jahr hat Google einen Quantenprozessor angekündigt, der mit 50 Qubits, den Recheneinheiten eines Quantencomputers, rechnen können soll. Das Problem: Die Qubits dieser Quantenprozessoren liegen wie auf einer Perlenschnur aufgereiht nebeneinander. Das macht das Rechnen selbst im Vergleich zu bisherigen Computern noch langsam, da Rechenoperationen zwischen zwei Qubits nur dann funktionieren, wenn sie direkt nebeneinander liegen. Dazu muss man ihre Positionen innerhalb der „Perlenkette“ tauschen, was Zeit kostet. Physiker um den Saarbrücker Professor für Quanten- und Festkörpertheorie, Frank Wilhelm-Mauch, haben nun ein Verfahren beschrieben, das diese Rechenoperationen in konkreten Fall um das 25-Fache beschleunigen kann. Die Methode wurde im Oktober im Fachmagazin Physical Review Letters vorgestellt.

Was nicht passt, wird passend gemacht: Nach diesem Motto haben Physiker um Frank Wilhelm-Mauch ein passendes quantenphysikalisches Problem suchen müssen, das sie mit einem bereits bekannten Verfahren, dem Rechnen mit Quantenprozessoren, lösen wollten. Das Problem ist in dem Fall allerdings nur Mittel zum Zweck, denn eigentlich geht es den Quantenphysikern um die Verbesserung des Rechenverfahrens, um somit einen Zwischenschritt auf dem weiten Weg zu einem alltagstauglichen Quantencomputer zu gehen.

Dabei suchten sie sich eine Herausforderung, die heutige herkömmliche Supercomputer an den Rand ihrer Leistungsfähigkeit bringt: die Simulation von Molekülen. „Ein großer Teil der theoretischen Chemie beschäftigt sich genau mit dieser Art von Problemen: Mit immer leistungsfähigeren Computern immer größere Moleküle zu simulieren“, erklärt Frank Wilhelm-Mauch. Die Vorhersage von Moleküleigenschaften ist ein passgenaues Problem für Quantencomputer. Denn mit zunehmender Komplexität der Moleküle, also je mehr Atome in einem Molekül zusammenkommen, desto schwieriger ist die Vorhersage ihrer Eigenschaften, die sich aus dem Zusammenspiel aller Teile des Atoms ergeben. Klassische Computer schaffen dies nicht mehr beziehungsweise sie brauchen eine immens lange Zeit zum Rechnen. Quantencomputer könnten solche Simulationen erheblich schneller schaffen, da sie alle Rechenoperationen parallel verarbeiten können und nicht nacheinander abarbeiten.

Dabei gibt es zwei Probleme: Zum einen die Zahl der Bits, der Recheneinheiten, zwischen denen eine mathematische Operation läuft, zum anderen deren Verbindung untereinander. Anders als auf einem heute handelsüblichen Computer für den Alltag mit vier Gigabyte Arbeitsspeicher, also mit 32 Milliarden Bit auf dem Prozessor, hat der für nächstes Jahr von Google angekündigte Quantenprozessor 50 Qubits. Zudem können die „normalen“ Bits fest miteinander verbunden werden, so dass Rechenoperationen zwischen ihnen schnell ablaufen können.

Die Qubits dieses Quantenprozessors der ersten Generation liegen allerdings wie auf einer Perlenschnur nebeneinander aufgereiht. Sie über eine lange Reichweite  miteinander zu verbinden wie auf dem normalen Prozessor, ist nicht möglich, da ein Quantensystem viel zu instabil ist, um solch „grobe“ Eingriffe zu überstehen. Konsequenz: Die Bits müssen untereinander die Positionen tauschen. „Läuft eine Rechenoperation auf diesem Prozessor also beispielsweise zwischen Bit 3 und Bit 47 ab, müssen beide so lange die Positionen tauschen, bis sie direkt nebeneinander liegen“, erläutert Frank Wilhelm-Mauch. Das kostet viel Rechenzeit, so dass im extremsten Fall (Rechenoperation zwischen Bit 1 und Bit 50) die Rechnung 50mal langsamer abläuft als es eigentlich möglich wäre.

Diese Rechenzeit haben die Physiker um Frank Wilhelm-Mauch nun enorm verkürzen können. „Statt entlang der Kette zu tauschen und dann erst mit dem Rechnen zu beginnen, wenn beide Qubits unmittelbar nebeneinander liegen, haben wir es geschafft, bereits während der Positionsverschiebung immer ein wenig zu rechnen.“ Damit konnten sie die Rechenzeit erheblich verkürzen. Statt der – im schlechtesten Fall – 50-mal längeren Rechendauer braucht ein Prozessor mit 50 kettenartig angeordneten Qubits dank der besseren Algorithmen der Saarbrücker Physiker nur noch zweimal so lange wie eigentlich möglich.

Diese „Zwei-Qubit-Operation“ ist für diese Aufgabe ideal geeignet. „Als Bonus passt sie darüber hinaus auch noch besonders gut zur angekündigten Google-Hardware. Damit konnten wir zeigen, dass mit diesen Qubit-Ketten gar nicht so wenig zu machen ist, wie wir und die Kollegen weltweit ursprünglich angenommen haben“, schlussfolgert Frank Wilhelm-Mauch.

Der Aufsatz „Linear and logarithmic time compositions of quantum many-body operators“ ist am 18. Oktober in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen (Link: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.160503).

 

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Frank Wilhelm-Mauch
Tel.: (0681) 3023960
E-Mail: fwm(at)physik.uni-saarland.de