Googles Anspruch auf Quantenüberlegenheit: 200 Sekunden gegen 10.000 Jahre

Fortune erhielt eine Kopie von Googles Paper, nachdem es kurz auf NASA.gov erschienen und wieder entfernt worden war. Ein Google-Sprecher wollte die Echtheit des Papers und seiner Ergebnisse nicht bestätigen. Die NASA antwortete zunächst nicht auf eine Anfrage nach einer Stellungnahme, wie Fortune am 20. September 2019 berichtete.

Laut dem Paper brauchte Googles Prozessor etwa 200 Sekunden, um eine Instanz eines Quantenschaltkreises 1.000.000 Mal zu samplen. Für die entsprechende Aufgabe würde ein modernster Supercomputer näherungsweise 10.000 Jahre benötigen, schrieben die Forscher. Dasselbe Experiment auf einem Google-Cloud-Server würde 50.000.000.000.000 Stunden dauern, schätzten sie. Auf dem Quantenprozessor dauerte es 30 Sekunden.

"Quantum speedup is achievable in a real-world system and is not precluded by any hidden physical laws", schrieben die Forscher. Sie sagten außerdem voraus, dass die Rechenleistung von Quantencomputern "at a double exponential rate" wachsen werde, schneller als die exponentielle Rate, die das Mooresche Gesetz definierte.

Sycamore, Bristlecone und die Zahlen hinter dem Anspruch

Die Maschine mit dem Namen Sycamore enthielt 53 Qubits. Das Team war von einem 72-Qubit-Gerät namens Bristlecone abgerückt, das es zuvor entworfen hatte. Das Experiment samplete zufällig erzeugte Zahlen. Sie entstanden über ein spezialisiertes Szenario mit Quantenphänomenen. Die Forscher erklärten, sie hätten festgestellt, dass ihr Quantencomputer normale Computer bei dieser Aufgabe schlug. Dabei wird die Ausgabe bestimmter spezialisierter Schaltkreise berechnet.

"Quantum processors based on superconducting qubits can now perform computations...beyond the reach of the fastest classical supercomputers available today", schrieben die Forscher. "To our knowledge, this experiment marks the first computation that can only be performed on a quantum processor."

Fortune merkte an, eine Quelle bei Google habe nahegelegt, die NASA habe das Paper versehentlich zu früh veröffentlicht. Die Ansprüche des Teams konnten so nicht gründlich durch die wissenschaftliche Peer-Review geprüft werden. Ein solches Verfahren kann Wochen bis Monate dauern. Sollte das Paper einer Prüfung standhalten, so Fortune, wäre es ein Wendepunkt in der Quantenwissenschaft. Es würde Zweifel widerlegen, dass ein unvorhergesehenes Naturgesetz Quantencomputer an der erhofften Arbeitsweise hindern könnte.

Der Anspruch blieb nicht ohne Widerspruch.

Dario Gil, Leiter von IBM Research, riet davon ab, Quantenüberlegenheit als Maß für den Fortschritt des Feldes zu verwenden. "The experiment and the 'supremacy' term will be misunderstood by nearly all", sagte er zu Fortune. Gil beschrieb das Experiment als hochgradig speziellen "laboratory experiment", der "no practical applications" habe. Er ergänzte: "Quantum computers will never reign 'supreme' over classical computers, but will rather work in concert with them, since each have their unique strengths."

Jim Clarke, Direktor für Quantenhardware bei Intel Labs, nannte Googles Neuigkeit "a notable mile marker". Er sagte, "a commercially viable quantum computer will require" viele Fortschritte in Forschung und Entwicklung, bevor es Realität werde. "While development is still at mile one of this marathon, we strongly believe in the potential of this technology", fügte Clarke hinzu.

Wie Google hierher kam

Das Ergebnis folgt auf ein Ziel, das Google zwei Jahre zuvor öffentlich formuliert hatte. Im April 2017 berichtete MIT Technology Review, John Martinis, der Googles Quantenforschungsgruppe leitet, habe sich einige Monate gegeben, um einen Meilenstein in der Computergeschichte zu erreichen. Bis Ende jenes Jahres, so Martinis, werde sein Team ein Gerät bauen, das "quantum supremacy" erreicht. Es solle eine bestimmte Rechnung ausführen können, die für jeden herkömmlichen Computer außer Reichweite liegt. Den Beweis sollte ein Wettrennen zwischen Googles Chip und einem der größten Supercomputer der Welt liefern.

"We think we're ready to do this experiment. It's something we can do now", sagte Martinis damals.

Ein Grund für sein Vertrauen war ein neuer Chip mit sechs Qubits in einer Zwei-mal-drei-Anordnung. Laut Martinis zeigte er, dass die Technik des Unternehmens auch funktionierte, wenn Qubits direkt nebeneinander lagen, wie es in größeren Geräten der Fall wäre. Er testete außerdem ein Fertigungsverfahren. Dabei werden Qubits und die herkömmliche Verdrahtung zu ihrer Steuerung auf getrennten Chips gefertigt und später über Bump-Bonding verbunden. Dieser Ansatz soll zusätzliche Steuerleitungen beseitigen, die die Funktion der Qubits stören können.

"That process is all working", sagte Martinis. "Now we're ready to kind of move fast." Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits waren bereits in Arbeit, sagte er. Für das Überlegenheitsexperiment brauche er ein Raster von 49 Qubits.

Schon damals stritten Forscher darüber, was der Meilenstein bedeuten würde. "It'll be an academic milestone", sagte Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Quantencomputing-Startups IonQ. "Afterward you still have to figure out how to make it more scalable and programmable." Martinis stimmte zu, dass vieles zu tun bleibe. Er argumentierte aber, das Experiment könne zum Maßstab für jeden werden, der behaupte, einen funktionierenden Quantencomputer zu haben.

Bis Dezember 2017 hatte das Rennen ein Geschäftspublikum angezogen. Auf der ersten Q2B-Konferenz im NASA Ames trafen Vertreter von Auto- und Fluggesellschaften, großen Banken, Softwarefirmen und dem Militär auf Experten, Unternehmer und Professoren. Gizmodo berichtete, Google habe in jenem Monat sein Gerät mit 49 oder 50 Qubits gefertigt und werde in zwei Wochen mit Tests beginnen, Weihnachtsferien nicht eingerechnet, so Martinis.

Auf derselben Veranstaltung widersprach Martinis der Art, wie Fortschritt verkauft wurde. "Press releases always talk about quantum space race in number of qubits", sagte er. "It's more than just quantity, it's qubit quality."

IBMs konkurrierender Meilenstein

Google war nicht allein mit dem Anspruch auf einen ersten Platz. Am 10. November 2017 berichtete die Associated Press, IBM habe einen Prozessorprototyp mit 50 Quantenbits gebaut und vermessen. Dario Gil, der IBMs Forschungsabteilung für Quantencomputing und künstliche Intelligenz leitet, sagte, es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer dieser Größe gebaut habe.

Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT und nicht an IBMs Forschung beteiligt, sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Fehler auszuräumen. Die Ankündigung zu 50 Qubits nannte er aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

IBM veröffentlichte danach weitere Meilensteine. ZDNET berichtete im März 2019, IBMs Q System One mit einem 20-Qubit-Prozessor habe ein Quantum Volume von 16 erreicht, doppelt so viel wie das damalige IBM Q mit einem Quantum Volume von 8. IBM beschrieb Quantum Volume als Leistungsmaß, das von der Zahl der Qubits, der Konnektivität und der Kohärenzzeit bestimmt wird. Hinzu kommen Fehler bei Gattern und Messungen, Übersprechen zwischen Bauteilen und die Effizienz des Compilers für die Schaltungssoftware. IBM erklärte, Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts Quantum Advantage zu erreichen. Das ist der Punkt, an dem Quantenanwendungen deutliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bringen.

Bei Google rahmte das Team sein Ergebnis als Übergang statt als Ankunft. "As a result of these developments, quantum computing is transitioning from a research topic to a technology that unlocks new computational capabilities", schrieben die Forscher. "We are only one creative algorithm away from valuable near-term applications."