Googles und IBMs Quantenmeilensteine und der lange Weg zu nützlichen Maschinen

Googles Behauptung stützt sich auf ein Experiment mit einem 53-Qubit-Prozessor namens Sycamore. Der Chip tastete nach Angaben des Unternehmens einen zufällig erzeugten Schaltkreis in etwa 200 Sekunden eine Million Mal ab. Für dieselbe Aufgabe würde ein moderner Supercomputer nach Googles Schätzung rund 10.000 Jahre brauchen. Die Behauptung stand in einem wissenschaftlichen Aufsatz, den Fortune vorab erhielt und den später Nature veröffentlichte.

Genau diese Lücke ist der Kern. Laut Fortune, dem der Aufsatz vorlag, bevor NASA ihn kurzzeitig ins Netz stellte, schrieben Googles Forscher, "Quantenbeschleunigung sei in einem realen System erreichbar und werde durch kein verborgenes physikalisches Gesetz ausgeschlossen".

Das Ergebnis kam nicht aus dem Nichts. Im April 2017 berichtete MIT Technology Review, der Physiker John Martinis, Leiter von Googles Quantengruppe, habe sich bis Ende jenes Jahres Zeit gegeben, denselben Meilenstein zu erreichen. Damals hatte sein Team einen Sechs-Qubit-Chip, in zwei Reihen zu drei Qubits angeordnet. Damit erprobte es ein Fertigungsverfahren, bei dem Qubits und ihre Steuerleitungen auf getrennten Chips entstehen und anschließend über Bumps verbunden werden. Martinis sagte, der Ansatz solle zusätzliche Steuerleitungen beseitigen, die die Funktion der Qubits stören können. Für das Überlegenheitsexperiment brauche er ein Raster aus 49 Qubits, sagte er. Entwürfe für 30 bis 50 Qubits seien bereits in Arbeit.

IBM ist zuerst bei 50 Qubits und stellt dann das Maß infrage

Google war nicht allein. Die Associated Press meldete im November 2017, IBM habe einen Prozessorprototyp mit 50 Qubits gebaut und vermessen. Dario Gil, der die Forschung zu Quantencomputing und KI bei IBM leitete, nannte es 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 der AP, IBM habe wahrscheinlich noch Fehler auszuräumen. Die Ankündigung sei aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Bis März 2019 legte IBM einen anderen Maßstab an. ZDNET berichtete, IBMs Q System One, ein 20-Qubit-Prozessor, habe ein Quantum Volume von 16 erreicht, doppelt so viel wie die 8, die das frühere IBM-Q-System erreicht hatte. Das Quantum Volume berücksichtigt Qubit-Anzahl, Konnektivität und Kohärenzzeit sowie Gatter- und Messfehler, Übersprechen zwischen Bauteilen und die Effizienz des Compilers. IBM erklärte, die Kennzahl müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb eines Jahrzehnts den Quantenvorteil zu erreichen. Seit 2017 habe man die Leistung der eigenen Quantencomputer jährlich verdoppelt.

Als Googles Aufsatz im September 2019 auftauchte, wurde IBMs Gil deutlich. Er sagte Fortune, das Experiment sei ein stark spezieller "Laborversuch" mit "keinen praktischen Anwendungen". Davon, die Quantenüberlegenheit als Fortschrittsmaß zu verwenden, riet er ab. "Quantencomputer werden niemals 'überlegen' über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten, da beide ihre eigenen Stärken haben", sagte er.

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

Googles eigene Darstellung, im Oktober 2019 im Unternehmensblog veröffentlicht, blieb bei den Grenzen vorsichtig. Das Unternehmen beschrieb das Ergebnis als "Hallo-Welt"-Moment und erklärte, es werde viele Jahre dauern, bis eine breitere Palette realer Anwendungen umgesetzt werden könne. Es rahmte die Arbeit als 13-jährige Anstrengung. Sie begann 2006, als der Google-Wissenschaftler Hartmut Neven Quantencomputing für maschinelles Lernen untersuchte. 2014 kamen Martinis und sein Team der University of California, Santa Barbara, dazu.

Die Lücke zwischen einem Meilenstein und einem Produkt ist keine Formalie. Quantenprozessoren müssten weit größer als 50 Qubits sein, um nützliche Arbeit zu leisten, und die Fehlerkorrektur ist im großen Maßstab ungelöst. Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Start-ups IonQ, sagte MIT Technology Review 2017, das Überlegenheitsexperiment werde "ein akademischer Meilenstein" sein. Zu dem, was danach kommt, sagte er: "Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht."