Googles Frist für die Quantenüberlegenheit: 49 Qubits bis Ende 2017

John Martinis leitet Googles Quantencomputing-Gruppe. Er gab sich nur wenige Monate, um einen Meilenstein der Computergeschichte zu erreichen. Bis Ende 2017, so sagte er, wolle sein Team ein Gerät bauen, das "Quantenüberlegenheit" erreicht: eine Rechnung, die kein herkömmlicher Computer bewältigt.

"Wir glauben, dass wir bereit sind, dieses Experiment zu machen. Wir können es jetzt tun", sagte Martinis zu MIT Technology Review. Der Beitrag erschien am 21. April 2017.

Sechs Qubits, 49 Qubits und die Lücke dazwischen

Die Zahlen zählen hier. Googles neuester Chip hatte damals sechs Qubits in einer Zwei-mal-drei-Anordnung, berichtete MIT Technology Review. Martinis sagte, das Layout sei ein Test. Es zeigte, dass die Technik der Firma noch funktionierte, wenn Qubits nebeneinander lagen, so wie in größeren Geräten. Derselbe Chip testete ein Fertigungsverfahren, bei dem die Qubits und die herkömmliche Verdrahtung, die sie steuert, auf getrennten Chips hergestellt und später über Bump-Bonding verbunden werden. Auf diese Methode hatte sich Googles Team konzentriert, seit es etwas mehr als zwei Jahre zuvor gegründet worden war. Der Grund: Zusätzliche Steuerleitungen in einem größeren Chip können die Funktion der Qubits stören.

Doch das Überlegenheitsexperiment brauchte ein Raster aus 49 Qubits, sagte Martinis, nicht sechs. Frühere Ergebnisse von Google hatten neun Qubits in einer Reihe genutzt. Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits waren bereits in Arbeit. Auf der IEEE TechIgnite in Burlingame, Kalifornien, zeigte er kurz Bilder des Sechs-Qubit-Chips. Technische Details hatte die Gruppe allerdings nicht offiziell bekannt gegeben.

Google war nicht allein in diesem Rennen. MIT Technology Review nannte Intel, Microsoft und IBM als Konkurrenten, dazu Start-ups. Simon Gustavsson, leitender Forscher in einer Quantencomputing-Gruppe am MIT, bezeichnete Google als einen der führenden Anbieter. "Google und IBM sind ziemlich vergleichbar", sagte er.

IBMs Gegenankündigung

Am 10. November 2017 teilte IBM mit, seine Wissenschaftler hätten einen Prozessorprototyp mit 50 Quantenbits gebaut und vermessen. Dario Gil leitete damals die Forschungsabteilung von IBM für Quantencomputing und künstliche Intelligenz. Er sagte, es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer dieser Größenordnung gebaut habe. Das berichtete die Associated Press über The Seattle Times.

Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT, war an IBMs Forschung nicht beteiligt. Er sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Störungen zu beseitigen, nannte die Ankündigung zu 50 Qubits aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

"Pressemitteilungen sprechen immer vom Quanten-Wettrennen in Zahlen von Qubits. Es geht um mehr als die Menge, es geht um die Qualität der Qubits."

Dieser Satz stammt von Martinis. Er fiel auf der ersten Konferenz zu Quantencomputing für Unternehmen, Q2B, die das Start-up QCWare im NASA Ames ausrichtete. Gizmodo berichtete über die Veranstaltung im Dezember 2017. Damals, so schrieb das Magazin, fertigte Google sein Überlegenheitsgerät mit 49 oder 50 Qubits und wollte in zwei Wochen mit Tests beginnen, Weihnachtsferienverzögerungen nicht mitgerechnet.

Martinis erklärte auch, was der Test umfassen würde. Googles Team würde seine Qubits zu einem Quantenschaltkreis verschränken und das System sich entwickeln lassen. Die abschließende Messung könnte verschiedene Werte mit verschiedenen Wahrscheinlichkeiten annehmen. Diese Ergebnisse auszurechnen ist so komplex, dass ein klassischer Computer den Quantencomputer simulieren muss, um es überhaupt zu schaffen, berichtete Gizmodo. Das könne Wochen dauern für das, was die Quantenmaschine in Minuten erledige. Für die Industrie ist das Problem nicht nützlich. Es ist ein Maßstab.

Was der Meilenstein nicht war

Die Erwartungen mussten kalibriert werden, und die Quellen der Aufzeichnung sagen das deutlich. Chris Monroe ist Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Quantencomputing-Start-ups IonQ. Er nannte das Überlegenheitsexperiment "einen akademischen Meilenstein". "Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht", sagte er zu MIT Technology Review.

Martinis stimmte zu, dass viel zu tun blieb. Er argumentierte aber, das Experiment könne ein Maßstab für jeden werden, der behaupte, einen funktionierenden Quantencomputer zu haben. Er sagte auch, das Ziel habe Managern bei Google und Mitgründer Sergey Brin geholfen, zu erkennen, dass die Technologie real werde. "Sie alle verstehen es und sind sehr begeistert", sagte er. "Wir versuchen, Unterstützung innerhalb von Google zu bekommen, und dieses Experiment hat sehr gut dabei geholfen, andere Ingenieure mit uns ins Gespräch zu bringen."

Der Zeitplan verschob sich. Googles Anspruch auf Quantenüberlegenheit kam im September 2019, nicht 2017. Fortune berichtete, das Unternehmen habe erklärt, sein Sycamore-Prozessor mit 53 Qubits habe einen zufällig erzeugten Schaltkreis in etwa 200 Sekunden abgetastet. Ein modernster Supercomputer würde für die entsprechende Aufgabe ungefähr 10.000 Jahre brauchen. Die Forscher schätzten, dass dasselbe Experiment auf einem Google-Cloud-Server 50 Billionen Stunden dauern würde; auf dem Quantenprozessor dauerte es 30 Sekunden. Fortune erhielt eine Kopie des Aufsatzes, der auf NASA.gov veröffentlicht und wieder entfernt worden war; die Financial Times berichtete zuerst darüber. Ein Google-Sprecher wollte die Echtheit des Aufsatzes nicht bestätigen. Eine Quelle bei Google legte nahe, NASA habe ihn vorzeitig vor der Peer-Review veröffentlicht.

IBM widersprach der Darstellung. Dario Gil, Leiter von IBM Research, sagte zu Fortune, das Experiment sei ein höchst spezieller Fall, ein "Laborexperiment" mit "keinen praktischen Anwendungen". "Quantencomputer werden niemals 'überlegen' über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten, da jeder seine eigenen Stärken hat", sagte er. Jim Clarke, Direktor für Quantenhardware bei Intel Labs, nannte die Aktualisierung "einen bemerkenswerten Meilenstein". Ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere noch viele weitere Forschungs- und Entwicklungsfortschritte, sagte er. "Während die Entwicklung noch bei Meile eins dieses Marathons ist, glauben wir fest an das Potenzial dieser Technologie."

IBM hatte bereits begonnen, für einen anderen Maßstab zu argumentieren. Auf der March Meeting der American Physical Society 2019, berichtete ZDNET, legte IBM sein bis dahin höchstes Quantum Volume dar. Quantum Volume ist eine Leistungskennzahl. Sie verbindet Qubit-Anzahl, Konnektivität und Kohärenzzeit mit Gate- und Messfehlern, Übersprechen der Bauteile und Compiler-Effizienz. IBM sagte, sein Q System One mit einem 20-Qubit-Prozessor habe ein Quantum Volume von 16 erreicht, doppelt so viel wie das damals aktuelle IBM Q mit 8. Das Gerät habe einige der niedrigsten Fehlerraten, die IBM gemessen habe. Das Unternehmen erklärte, Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts Quantum Advantage zu erreichen. Das ist der Punkt, an dem Quantenanwendungen erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bieten. IBM hat die Leistung seiner Quantencomputer seit 2017 jährlich verdoppelt.

All das steht in einem Feld, das nach den Angaben der Aufzeichnung alles andere als fertig ist. Auf der Q2B beschrieb der theoretische Physiker John Preskill vom Caltech die aktuelle Periode als NISQ-Ära, für Noisy, Intermediate-Scale Quantum Computer. Preskill sagte, der Fortschritt in Richtung eines fehlertoleranten Quantencomputers müsse weitergehen. Gizmodo merkte an, dass Unternehmen Quantencomputing noch geraume Zeit nicht nutzen könnten, vielleicht Jahrzehnte.

Googles Forscher waren in ihrem Aufsatz von 2019 optimistischer. "Quantenbeschleunigung ist in einem realen System erreichbar und wird durch kein verborgenes physikalisches Gesetz ausgeschlossen", schrieben sie, laut Fortune. Sie sagten voraus, die Leistung des Quantencomputings werde mit doppelt exponentieller Rate wachsen, schneller als die exponentielle Rate, die Moores Gesetz definierte. Und sie fügten eine Einschränkung hinzu, die gut gealtert ist: "Wir sind nur einen kreativen Algorithmus von wertvollen kurzfristigen Anwendungen entfernt."