Ist „D-Wave One“ von D-Wave Systems ein Quantencomputer?

Ja in dem Sinne, dass es Quanteneigenschaften verwendet, um Berechnungen durchzuführen, aber nein im allgemeineren Fall, da es sich nicht um eine Turing-Maschine (dh einen universellen Computer) handelt.

Diese Antwort wird etwas kompliziert durch die Tatsache, dass das, was die breite Öffentlichkeit unter einem Computer versteht, und das, was Informatiker formal als Turing-Maschine definieren. Turing-Maschinen sind aus mathematischer Sicht interessant, da jeder Computeralgorithmus auf einer Turning-Maschine ausgeführt werden kann und Turing-Maschinen einander simulieren können, was zu dem Konzept der Turing-Vollständigkeit führt .

Das Quantenäquivalent zu einer herkömmlichen Turing-Maschine (dh einem Desktop-Computer) erfordert die Verwendung von Quantenschaltkreisen, die es ermöglichen, allgemeine Algorithmen darauf auszuführen. Um der Turing-Vollständigkeit gerecht zu werden, können herkömmliche Computer tatsächlich Quantencomputer simulieren , die Quantenschaltkreise verwenden.

In Anbetracht dessen können wir uns nun dem D-Wave-Gerät für eine genauere Untersuchung zuwenden. Die eigene Dokumentation von D-Wave Systems für Entwickler sagt uns Folgendes:

Der Prozessor im D-Wave One – Codename Rainier – ist darauf ausgelegt, eine einzige mathematische Operation namens diskrete Optimierung durchzuführen .

Zusammen mit,

Rainier löst Optimierungsprobleme mithilfe von Quantenglühen (QA) , einer Klasse von Problemlösungsansätzen, die Quanteneffekte verwenden, um schneller zu besseren Lösungen zu gelangen.

Auf Anhieb wissen wir, dass die D-Wave nicht Turing-vollständig sein wird, da sie nur eine einzige mathematische Operation ausführen kann, was bedeutet, dass sie kein Quantencomputer im allgemeinen Sinne ist; aber was ist mit dem speziellen Fall?

Als es erstmals vorgestellt wurde, gab es einige Kontroversen darüber, dass D-Wave Quanteneffekte nicht nutzte, um Probleme tatsächlich zu lösen. Dies wurde jedoch teilweise mit ihrer Veröffentlichung von „ Quantum Annealing with Manufactured Spins “ im Jahr 2011 in Nature behoben, die den folgenden interessanten Punkt in der Zusammenfassung enthält:

Hier verwenden wir Quantenglühen, um den Grundzustand eines künstlichen Ising-Spinsystems zu finden, das aus einer Anordnung von acht supraleitenden Flussquantenbits mit programmierbaren Spin-Spin-Kopplungen besteht. Wir beobachten eine klare Signatur des Quantenglühens, das vom klassischen thermischen Glühen durch die Temperaturabhängigkeit des Zeitpunkts, zu dem die Systemdynamik einfriert, unterscheidbar ist. Unsere Implementierung kann vor Ort konfiguriert werden, um eine Vielzahl unterschiedlicher Spin-Netzwerke zu realisieren, von denen jedes überwacht werden kann, wenn es sich in Richtung einer Niedrigenergiekonfiguration bewegt

Die Arbeit ist ziemlich interessant, aber die Mathematik kann manchmal auch ziemlich schwer sein. Die Kernaussage des Beitrags wird im Fazit zusammengefasst,

Dies bringt uns zu unserer Hauptschlussfolgerung: Ein programmierbares künstliches Spinsystem, das als integrierter Schaltkreis hergestellt wird, kann verwendet werden, um einen Quantenalgorithmus zu implementieren. Die hier vorgestellten Experimente stellen einen Schritt zwischen dem Verständnis des Single-Qubit-Temperns und dem Verständnis der Multi-Qubit-Prozesse dar, die verwendet werden könnten, um Niedrigenergiekonfigurationen in einem realistischen adiabatischen Quantenprozessor zu finden. Neben seinem Problemlösungspotential bietet ein solches System auch ein interessantes Testfeld für die Untersuchung der Physik wechselwirkender Quantenspins und ist ein wichtiger Schritt in einer laufenden Untersuchung viel komplexerer Spinsysteme, die mit dieser Art von Architektur realisiert werden . Obwohl unser hergestelltes Spinsystem noch kein universeller Quantencomputer ist, können wir durch Hinzufügen eines neuartigen Kopplers zwischen den Qubits

Kurz gesagt, erklärt das Papier die Implementierung eines Mittels zur Durchführung adiabatischer Quantenberechnungen . Dieses Papier war Teil dessen, was letztendlich dazu führte, dass einige D-Waves-Kritiker ihre früheren Positionen zurücknahmen und das Unternehmen positiver beurteilten. Dies wiederum hat zu einer allgemeinen Erwärmung der Optionen der wissenschaftlichen Gemeinschaften gegenüber dem Unternehmen geführt.

Diese Position, dass die D-Wave tatsächlich Quanteneffekte verwendet, wurde von der University of Southern California weiter bekräftigt , die 2013 einen Artikel veröffentlichte , der die Verwendung von Quanteneffekten im Prozessor bestätigte.

„Unsere Arbeit scheint zu zeigen, dass Quanteneffekte aus rein physikalischer Sicht eine funktionelle Rolle bei der Informationsverarbeitung im D-Wave-Prozessor spielen“, sagte Sergio Boixo, Erstautor der Forschungsarbeit, der die Forschung während seiner Zeit leitete war Informatiker am ISI und wissenschaftlicher Assistenzprofessor an der USC Viterbi

Ein vorab gedruckter Artikel aus dem Jahr 2013 mit dem Titel „ Quantenglühen mit mehr als einhundert Qubits “ wirft ebenfalls einen sehr interessanten Punkt auf,

Betrachtet man die reine Annealing-Zeit, entspricht die Leistung für typische (mittlere) Instanzen der eines hochoptimierten klassischen Annealing-Codes auf einer High-End-Intel-CPU.

Das bedeutet, dass derzeit möglicherweise kein großer Vorteil darin besteht, ihr Gerät gegenüber einem herkömmlichen Computer zu verwenden. Sie stellen jedoch weiterhin fest, dass

Eine Quantenbeschleunigung kann dann festgestellt werden, indem die Skalierungsergebnisse der simulierten klassischen und Quanten-Annealer mit Experimenten verglichen werden, wie wir im Zusatzmaterial ausführlich besprechen. Bei noch größeren Problemgrößen stoßen wir schnell an die Grenzen klassischer Computer. Bei optimistischer Extrapolation unter Verwendung der beobachteten Skalierung wird die mittlere Zeit, um die beste Lösung für unser Testproblem zu finden, von Millisekunden auf Minuten für 2048 Variablen und Monate für 4096 Variablen steigen, und die Skalierung könnte viel schlechter sein, wenn fettschwänzige Verteilungen zu dominieren beginnen, wie wir es zuvor für andere Monte-Carlo-Algorithmen beobachtet hatten [28, 29]. Ein Quantenannealer, der für diese Problemgrößen eine bessere Skalierung als klassische Algorithmen zeigt, wäre ein spannender Durchbruch,

Das bedeutet, dass sie immer noch der Meinung sind, dass ihr Gerät bei größeren Datensätzen wahrscheinlich eine bessere Leistung als ein Standardcomputer für diese Art von Problemen erbringt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass D-Wave One im allgemeinen Sinne eine Turing-Maschine ist, was bedeutet, dass es sich nicht um einen Quantencomputer im strengsten Sinne handelt. Im allgemeineren Sinne jedoch, dass der D-Wave One Quanteneffekte zur Durchführung von Berechnungen verwendet, scheint die Antwort ja zu sein.