Google, IBM und der Quanten-Meilenstein, der sich weiter verschiebt

Das Wort „Meilenstein“ hat in der Quanteninformatik viel Arbeit geleistet. Googles Anspruch auf die Quantenüberlegenheit, veröffentlicht in der 150. Ausgabe der Zeitschrift Nature im Oktober 2019, ist der lauteste. Er ist nicht der einzige, und er beendet die Debatte nicht.

Der Anspruch selbst ist eng und konkret. Laut Googles eigenem Blogbeitrag führte die Sycamore-Maschine eine Testrechnung in 200 Sekunden durch. Die besten bekannten Algorithmen auf den leistungsstärksten Supercomputern bräuchten dafür Tausende von Jahren. In der Arbeit, über die Fortune am 20. September 2019 berichtete, präzisierten die Forscher: Der Prozessor brauchte etwa 200 Sekunden, um eine Instanz der Quantenschaltung eine Million Mal abzutasten. Ein modernster Supercomputer würde für die entsprechende Aufgabe ungefähr 10.000 Jahre benötigen. Dieselbe Arbeit schätzte, dass die Ausführung des Experiments auf einem Google-Cloud-Server 50 Billionen Stunden dauern würde.

Fortune erhielt eine Kopie der Arbeit, nachdem sie kurz auf NASA.gov erschienen und wieder entfernt worden war. Die Financial Times meldete die Nachricht zuerst. Ein Google-Sprecher wollte die Echtheit der Arbeit nicht bestätigen. Eine Quelle bei Google legte nahe, NASA habe sie vorzeitig veröffentlicht, vor der Begutachtung durch Fachkollegen. Ein solches Verfahren kann Wochen oder Monate dauern.

Zwei Jahre voller Ansprüche, ein umstrittenes Wort

IBM war zuerst da mit einer Zahl, wenn auch nicht mit demselben Wort. Am 10. November 2017 meldete die Associated Press, IBM-Wissenschaftler hätten einen Prozessorprototyp mit 50 Qubits gebaut und vermessen. Dario Gil, der die Forschungsabteilung von IBM für Quanteninformatik und künstliche Intelligenz leitete, sagte, es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer in dieser Größenordnung gebaut habe. Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT und nicht an der Arbeit beteiligt, sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Störungen zu beheben. Die Ankündigung nannte er ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Googles eigener Weg zu dieser Größenordnung führte über kleinere Chips. Im April 2017 berichtete MIT Technology Review, John Martinis, der Googles Quantenforschungsgruppe leitet, habe sich bis zum Ende jenes Jahres Zeit gegeben, die Quantenüberlegenheit zu erreichen. Das Team hatte einen Chip mit neun Qubits in einer Reihe. Sein neuester Chip hatte sechs Qubits in einer Zwei-mal-drei-Anordnung. Martinis sagte, er brauche ein Gitter aus 49 Qubits für das Experiment. Entwürfe für 30 bis 50 Qubits waren bereits in Arbeit.

Im Dezember 2017 sagte Martinis auf einer Konferenz im NASA Ames Research Center, die Qubit-Zahl sei die falsche Schlagzeile. „Pressemitteilungen sprechen immer vom Quanten-Wettrennen in der Anzahl der Qubits“, sagte er, laut Gizmodo. „Es geht um die Menge, aber auch um die Qubit-Qualität.“ Google fertigte damals sein Bauteil mit 49 oder 50 Qubits. Der Test sollte innerhalb von zwei Wochen beginnen.

Die fertige Maschine war ein Prozessor mit 53 Qubits namens Sycamore, herunterskaliert von einem Entwurf mit 72 Qubits namens Bristlecone. Googles Blogbeitrag rahmte das Ergebnis als den „Hello World“-Moment, auf den das Feld gewartet habe. Zugleich räumte das Unternehmen ein, dass es viele Jahre dauern werde, bis eine breitere Palette realer Anwendungen umgesetzt werden könne.

Was der Meilenstein nicht misst

IBMs Dario Gil sagte zu Fortune, das Experiment sei ein höchst spezieller Laborversuch ohne praktische Anwendungen. Er riet davon ab, die Quantenüberlegenheit als Fortschrittsmaß zu verwenden. „Das Experiment und der Begriff ‚Überlegenheit‘ werden von fast allen missverstanden werden“, sagte er. „Quantencomputer werden niemals ‚überlegen‘ über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten, da jeder seine eigenen Stärken hat.“

Jim Clarke, bei Intel Labs für Quantenhardware zuständig, nannte die Aktualisierung einen bemerkenswerten Meilenstein. Ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere zuvor viele Fortschritte in Forschung und Entwicklung, sagte er. „Die Entwicklung steht noch bei Meile eins dieses Marathons, doch wir glauben fest an das Potenzial dieser Technologie“, sagte er.

Diese Vorsicht hat eine Vorgeschichte. Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Start-ups IonQ, sagte 2017 zu MIT Technology Review, die Überlegenheit werde „ein akademischer Meilenstein“ sein. „Danach muss man immer noch herausfinden, wie man das Ganze skalierbarer und programmierbarer macht“, sagte er.

IBMs eigene Arbeit an Kennzahlen weist in dieselbe Richtung. Auf der March Meeting der American Physical Society 2019 nannte IBM ein Quantum Volume von 16 für sein Q System One mit 20 Qubits. Das war doppelt so viel wie das Quantum Volume von 8 für sein damals aktuelles IBM-Q-System. Das Quantum Volume berücksichtigt die Qubit-Anzahl, die Konnektivität und die Kohärenzzeit sowie Gatter- und Messfehler, Übersprechen zwischen Bauteilen und die Effizienz des Compilers für die Schaltungssoftware. IBM erklärte, das Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts den Quantenvorteil 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.

Die Schlussfolgerung der Google-Arbeit ist ehrgeiziger als das Experiment. Die Forscher sagten voraus, die Rechenleistung von Quantencomputern werde mit doppelt exponentieller Rate wachsen. Damit übertreffe sie die exponentielle Rate, die das Mooresche Gesetz prägte. Sie schrieben auch: „Wir sind nur einen kreativen Algorithmus von wertvollen kurzfristigen Anwendungen entfernt.“

Das ist der Teil, der noch ungeprüft ist. Der Lauf von 200 Sekunden ist ein Datenpunkt. Der Vergleich mit 10.000 Jahren ist ein Datenpunkt. Keiner von beiden sagt einem Unternehmen, was es am Montag tun soll.