Quantenrätsel: Den Lärm bewältigen und das Fachwissen verbessern

Es gibt einen Witz, der mit den einzigartigen Eigenschaften der Quantenwelt spielt und besagt: „Es gibt drei Arten von Menschen auf dieser Welt: diejenigen, die Quantencomputer verstehen, diejenigen, die Quantencomputer nicht verstehen, und diejenigen, die Quantencomputer gleichzeitig verstehen und nicht verstehen.“ Quanten-Computing." Spaß beiseite, Weiwen Jiang sieht eine Welt, in der Quantencomputer weit verbreitet sind; Mit neuen Mitteln der National Science Foundation (NSF) unternimmt er Schritte in Richtung dieses Ziels.

Jiang, Assistenzprofessor am Fachbereich Elektrotechnik und Computertechnik der George Mason University, leitet zwei kürzlich ausgezeichnete NSF-Projekte im Gesamtwert von 900.000 US-Dollar für die Arbeit an der Entwicklung dieser komplexen Geräte und am Aufbau der Quantenarbeitskräfte von morgen.

Quantencomputer unterscheiden sich von klassischen Computern dadurch, dass sie Elemente der Quantenmechanik zur Durchführung von Berechnungen nutzen, wodurch sie viel schneller arbeiten und mehr Daten verarbeiten können. Zwar sind mehrere betriebsbereite Quantencomputer im Einsatz – IBM und Google gehören zu den Top-Herstellern –, aber sie sind derzeit weit von ihrem versprochenen Potenzial entfernt und können einfach noch nicht die von ihnen erwarteten groß angelegten Berechnungen durchführen.

Jiang sagte, ein Hauptproblem sei: „Sie sind nicht ‚stabil‘.“ Wir können sie für Berechnungen verwenden, aber es könnte sein, dass Sie heute eine Antwort erhalten und morgen eine ganz andere Antwort.“

Quantengeräte sind bekanntermaßen anfällig für „Rauschen“ – insbesondere für Dinge wie kosmische Strahlung, Veränderungen im Erdmagnetfeld, Strahlung und sogar mobile WLAN-Signale. Der Lärm trägt zur Instabilität der Geräte bei.

Mit dem Kooperationsstipendium in Höhe von 600.000 US-Dollar wird die Arbeit von Jiang und seinen Mitarbeitern von der Kent State University bei der Entwicklung eines Adapters finanziert, der sich an schwankendes Rauschen anpasst und so die Leistung von Anwendungen auf Quantengeräten verbessert. Jiang ist mit dem Thema bestens vertraut und hat kürzlich bei einer Veranstaltung im Oak Ridge National Lab den Best Poster Award für „Optimierungen auf Systemebene zur Verbesserung der Robustheit von Quantenanwendungen auf instabilen Quantengeräten“ gewonnen.

Laut Jiangs vorläufigen Arbeiten steht der Einsatz der Quantenanwendungen vor mehreren Herausforderungen, darunter: Nachhaltigkeit – auf einem Quantenprozessor reagieren die meisten Quantenanwendungen empfindlich auf die zeitlichen Änderungen des Quantenrauschens; Portabilität – unterschiedliche Quantenprozessoren (sogar vom selben Hersteller) mit spezifischen Eigenschaften führen zu Schwankungen der Modellunsicherheit; und Transparenz – ein Mangel an Visualisierungstools kann Benutzer daran hindern, ihre Quantenanwendungen für eine höhere Zuverlässigkeit an Quantencomputer anzupassen. Das NSF-Projekt wird systematisch Lösungen als Antwort auf diese Herausforderungen bereitstellen.

Jiang blickt optimistisch in die Zukunft des Quantencomputings: „Jedes Jahr erleben wir viele Durchbrüche. Erst vor ein paar Monaten veröffentlichte IBM einen Artikel zur Lärmreduzierung. Und jedes Jahr sehen wir, dass die Anzahl der Qubits in Quantencomputern von fünf im Jahr 2000 auf über 400 auf einem neuen Computer von IBM steigt.“ (Ein Qubit ist die grundlegende Informationseinheit, die beim Quantencomputing verwendet wird, ähnlich wie eine 1 und eine 0 beim herkömmlichen Computing.)

Ein weiterer Zuschuss, den Jiang mit den Mitarbeitern Mingzhen Tian und Jessica Rosenberg am College of Science teilt, stellt 300.000 US-Dollar von NSF zur Verfügung, um die Pipeline der Quantenarbeitskräfte zu stärken. Der Zuschuss ist für „ein End-to-End-Schulungsprogramm zur Quantensystemintegration“ bestimmt. Die Fakultätsmitglieder entwickeln einen neuen Kurs bei Mason, organisieren Workshops auf der IEEE International Conference on Quantum Computing im September (wo Jiang Co-Vorsitzender des Quantensystem-Tracks ist) und führen Tutorials auf internationalen Konferenzen durch. Kürzlich koordinierte das Team unter der Leitung von Rosenberg ein Sommer-Immersionsprogramm für Oberstufenschüler in Mason. Darüber hinaus wird Jiang in den kommenden Monaten Seminare in verschiedenen Einrichtungen, die Minderheiten dienen, in der Region DC durchführen.

Jiang sagte, die Möglichkeiten für quantentechnisch ausgebildete Ingenieure seien robust und wachsen. „Ich arbeite zum Beispiel vor Ort mit Leidos und MITRE zusammen und sie haben Bedarf in diesem Bereich. Darüber hinaus wissen wir, dass Quanten in allen Bereichen einen Unterschied machen werden, von der Finanzierung über die Arzneimittelentwicklung bis hin zum maschinellen Lernen und darüber hinaus.“

Er sieht die Quantenzukunft optimistisch – sowohl in der Welt als auch hier bei Mason. Er betonte, dass wir angesichts der steigenden Nachfrage der Studierenden nach dieser Technologie „die entsprechenden Materialien für unsere Studierenden bereitstellen müssen, da wir ein starkes Interesse an diesem Bereich feststellen.“