Google, IBM und der Quanten-Meilenstein, der weiterwandert

Das Wort "Meilenstein" hat in der Quanteninformatik viel Arbeit geleistet. Googles Anspruch auf die Quantenüberlegenheit, veröffentlicht in der 150. Ausgabe von 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 erledigte die Sycamore-Maschine eine Testrechnung in 200 Sekunden. Die besten bekannten Algorithmen auf den leistungsfähigsten 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 des Quantenschaltkreises eine Million Mal abzutasten. Ein modernster Supercomputer bräuchte für die entsprechende Aufgabe rund 10.000 Jahre. Dieselbe Arbeit schätzte, dass die Ausführung des Experiments auf einem Google-Cloud-Server 50.000.000.000.000 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 Sprecher von Google wollte die Echtheit der Arbeit nicht bestätigen. Eine Quelle bei Google legte nahe, die NASA habe sie vor der Begutachtung veröffentlicht, ein Verfahren, das Wochen oder Monate dauern kann.

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 Quantenbits 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, nannte die Ankündigung aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Googles eigener Weg zu dieser Größenordnung führte über kleinere Chips. Im April 2017 berichtete MIT Technology Review, John Martinis, Leiter von Googles Quantenforschungsgruppe, habe sich bis Ende jenes Jahres Zeit gegeben, die Quantenüberlegenheit zu erreichen. Das Team hatte einen Chip mit neun Qubits in einer Reihe, der neueste Chip hatte sechs Qubits in einer Anordnung von zwei mal drei. Martinis sagte, er brauche ein Raster von 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-Wettlauf in Qubit-Zahlen", sagte er laut Gizmodo. "Es geht um Quantität, aber auch um Qubit-Qualität." Google fertigte damals sein Bauteil mit 49 oder 50 Qubits, die Tests sollten binnen zwei Wochen beginnen.

Die endgültige Maschine war ein Prozessor mit 53 Qubits namens Sycamore, zurückgestuft von einem Entwurf mit 72 Qubits namens Bristlecone. Googles Blogbeitrag rahmte das Ergebnis als den "Hallo-Welt"-Moment, auf den das Feld gewartet habe. Zugleich räumte er 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 hochspezialisiertes Laborverfahren 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 beide ihre eigenen Stärken haben."

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

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, doppelt so viel wie das Quantum Volume von 8 für sein damaliges IBM-Q-System. Das Quantum Volume berücksichtigt Qubit-Zahl, Konnektivität und Kohärenzzeit sowie Fehler bei Gattern und Messungen, Übersprechen der Bauteile und die Effizienz des Compilers für die Schaltkreis-Software. IBM erklärte, das Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des kommenden Jahrzehnts den Quantum Advantage zu erreichen. Das ist der Punkt, an dem Quantenanwendungen deutliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bringen. 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 doppelt exponentiell wachsen und damit das exponentielle Wachstum übertreffen, das das Mooresche Gesetz bestimmte. 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.