Googles 53-Qubit-Sycamore und IBMs 50-Qubit-Prototyp: Wie das Rennen um den Quanten-Meilenstein verlief

Google nannte es Quantenüberlegenheit. IBM nannte es ein Laborexperiment ohne praktische Anwendungen. Beide beschrieben dasselbe Ergebnis aus dem Jahr 2019, und beide hatten über Jahre darauf hingearbeitet.

Laut einem Papier, das Fortune im September 2019 erhielt, enthielt Googles Sycamore-Prozessor 53 Qubits. Das Unternehmen gab an, die Maschine habe etwa 200 Sekunden gebraucht, um eine Instanz eines Quantenschaltkreises eine Million Mal abzutasten. Ein modernster Supercomputer hätte für die entsprechende Aufgabe ungefähr 10.000 Jahre gebraucht. Die Forscher schätzten, dass dieselbe Arbeit auf einem Google-Cloud-Server 50 Billionen Stunden laufen würde. Auf dem Quantenprozessor dauerte sie 30 Sekunden.

Das Papier erschien auf NASA.gov, bevor es wieder entfernt wurde. Fortune berichtete, die Financial Times habe die Nachricht zuerst gebracht. Ein Google-Sprecher lehnte es ab, die Echtheit des Papiers und seiner Ergebnisse zu bestätigen. Die NASA antwortete nicht unmittelbar auf eine Anfrage zur Stellungnahme. Eine mit der Sache vertraute Quelle bei Google legte nahe, die NASA habe das Papier versehentlich zu früh veröffentlicht. So konnten die Behauptungen des Teams nicht durch eine wissenschaftliche Begutachtung geprüft werden, ein Verfahren, das Wochen oder Monate dauern kann.

Von sechs Qubits zum Ziel der Überlegenheit

Das Ergebnis kam nicht aus dem Nichts. Im April 2017 berichtete MIT Technology Review, John Martinis, der Googles Quantenforschungsgruppe leitet, habe sich bis zum Ende jenes Jahres Zeit gegeben, um Quantenüberlegenheit zu zeigen. Als Quantenüberlegenheit gilt eine Berechnung jenseits der Reichweite jedes herkömmlichen Computers. Martinis sagte, das Experiment werde Googles Chip gegen einen der größten Supercomputer der Welt stellen.

Zu diesem Zeitpunkt hatte Googles neuester Chip sechs Qubits, angeordnet zwei mal drei. Martinis sagte, das Layout zeige, dass die Technik noch funktioniere, wenn Qubits nebeneinander liegen, wie sie es in größeren Bauteilen tun würden. Der Chip testete zudem ein Fertigungsverfahren, bei dem Qubits und ihre herkömmliche Steuerungsverdrahtung auf getrennten Chips hergestellt und später über Bump-Bonding verbunden werden. Dieser Ansatz sollte zusätzliche Steuerleitungen beseitigen, die den Betrieb der Qubits stören können.

„Dieser Prozess funktioniert vollständig“, sagte Martinis zu MIT Technology Review. „Jetzt sind wir bereit, sozusagen schnell voranzukommen.“ Er sagte, Entwürfe für Bauteile mit 30 bis 50 Qubits seien bereits in Arbeit. Für das Überlegenheitsexperiment brauche er ein Raster aus 49 Qubits. Google hatte zuvor Ergebnisse eines Neun-Qubit-Chips veröffentlicht, der in einer Linie angeordnet war.

Martinis war Ende 2014 von der University of California, Santa Barbara, zu Google gekommen, wo er weiterhin Professor blieb. Zum Zeitpunkt des Artikels von 2017 umfasste seine Gruppe rund 25 Personen. MITs Simon Gustavsson sagte der Publikation, Google sei einer der führenden Köpfe des Feldes und das Rennen sei „ziemlich vergleichbar zwischen Google und IBM“.

Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Start-ups IonQ, war zurückhaltender. „Es wird ein akademischer Meilenstein sein“, sagte er über das Ziel der Überlegenheit. „Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht.“ Martinis stimmte zu, dass viel zu tun bleibe. Er argumentierte aber, das Experiment könne zum Maßstab für jeden werden, der einen funktionierenden Quantencomputer beanspruche.

IBMs 50 Qubits und ein Streit über das Wort Überlegenheit

IBM war bei der Zahl, die Google anvisiert hatte, schneller. Im November 2017 berichtete die Associated Press, IBM-Wissenschaftler hätten einen Prozessorprototyp mit 50 Qubits gebaut und vermessen. Dario Gil, der die Forschungsabteilung von IBM für Quantencomputing 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 IBMs Forschung beteiligt, sagte der AP, IBM habe wahrscheinlich noch Störungen zu beheben. Die Ankündigung zu 50 Qubits sei aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Knapp einen Monat später, auf der Konferenz Q2B im NASA Ames Research Center, wehrte sich Martinis dagegen, Qubits als Punktezählung zu behandeln. „Pressemitteilungen sprechen immer vom Quanten-Wettrennen in Zahlen von Qubits“, sagte er laut Gizmodo. „Es ist mehr als nur die Menge, es ist die Qubit-Qualität.“ Google fertige in jenem Monat sein Überlegenheitsbauteil mit 49 oder 50 Qubits und werde binnen zwei Wochen mit Tests beginnen, abgesehen von Verzögerungen durch die Weihnachtsferien.

Der Bericht von Gizmodo beschrieb die Aufgabe, die Google ausführen wollte: die Qubits verschränken, das System sich entwickeln lassen, dann messen. Der Endzustand nimmt mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten unterschiedliche Werte an. Die möglichen Ausgänge sind so komplex zu berechnen, dass ein klassischer Computer die Quantenmaschine simulieren muss, womöglich wochenlang für das, was der Quantencomputer in Minuten erledigt. Die Übung prüft nicht nur die Zahl der Qubits, sondern ihre Qualität. Die Qubits dürfen keine falschen Werte liefern und nicht durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung zu gewöhnlichen Bits zerfallen.

Die Konferenz zog Vertreter von Auto- und Fluggesellschaften, Banken, Softwarefirmen und dem Militär an. Volkswagen, Airbus, Citibank, Emerson und das europäische IT-Unternehmen Atos waren neben Risikokapitalgebern anwesend. John Preskill, theoretischer Physiker am CalTech, sagte dem Publikum, das Feld trete in das ein, was er die NISQ-Ära nennt, für noisy intermediate-scale quantum computers. Der Fortschritt zu einer fehlertoleranten Maschine müsse weitergehen.

Quantum Volume und das Jahrzehnt des Wartens

IBMs Antwort auf das Qubit-Zählen kam im März 2019. Auf dem March Meeting der American Physical Society skizzierte das Unternehmen sein bis dahin höchstes Quantum Volume. Diese Kennzahl verbindet Qubit-Zahl, Konnektivität und Kohärenzzeit und berücksichtigt dabei Gatter- und Messfehler, Übersprechen zwischen Bauteilen und Compiler-Effizienz.

IBM gab an, sein Q System One, das auf einem 20-Qubit-Prozessor aufbaut, habe ein Quantum Volume von 16 erreicht, doppelt so viel wie der damalige IBM-Q-Wert von 8. Das Unternehmen erklärte zudem, das System habe einige der niedrigsten Fehlerraten, die es gemessen habe.

ZDNet berichtete von IBMs Prognose, das 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 bieten. IBM habe die Leistung seiner Quantencomputer seit 2017 jährlich verdoppelt, sagte das Unternehmen. 2016 stellte es seine Quantentechnik über einen Cloud-Dienst bereit und arbeitet mit Partnern an Anwendungsfällen in Wirtschaft und Wissenschaft.

Diese Einordnung bereitete die Argumentation vor, die auf Googles Papier vom September 2019 folgte. Dario Gil, inzwischen Leiter von IBM Research, riet davon ab, Quantenüberlegenheit als Fortschrittsmaßstab zu verwenden. „Das Experiment und der Begriff ‚Überlegenheit‘ werden von fast allen missverstanden werden“, sagte er zu Fortune. Er beschrieb die Arbeit als ein sehr spezielles Laborexperiment ohne praktische Anwendungen. „Quantencomputer werden niemals ‚überlegen‘ über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenwirken, da jeder seine eigenen Stärken hat.“

Jim Clarke, Direktor für Quantenhardware bei Intel Labs, nannte Googles Neuigkeit „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 Technik.“

Was das Papier behauptete und was nicht

Die Google-Forscher schrieben, Quantenbeschleunigung sei in einem realen System erreichbar und werde von keinem verborgenen physikalischen Gesetz ausgeschlossen. Sie sagten voraus, die Rechenleistung von Quantencomputern werde mit doppelt exponentiellem Tempo wachsen, schneller als die exponentielle Rate, die das Mooresche Gesetz definierte. Sie schrieben außerdem, Quantencomputing wandle sich von einem Forschungsthema zu einer Technik, die neue Rechenfähigkeiten erschließt. „Wir sind nur einen kreativen Algorithmus von wertvollen kurzfristigen Anwendungen entfernt“, heißt es in dem Papier.

Die Maschine selbst bedeutete einen Rückschritt bei der Zahl der Qubits gegenüber einem früheren Entwurf. Google hatte zuvor ein Bauteil mit 72 Qubits namens Bristlecone entworfen, ging für das Experiment aber auf den 53-Qubit-Sycamore zurück.

Die früheren öffentlichen Aussagen des Unternehmens sollte man neben die Behauptung von 2019 halten. 2017 sagte Martinis, Quantenprozessoren müssten deutlich größer als 50 Qubits sein, um nützliche Arbeit leisten zu können. Monroes Einschätzung, Überlegenheit werde ein akademischer Meilenstein sein, während Skalierbarkeit und Programmierbarkeit noch zu lösen seien, wurde durch nichts in dem Papier widerlegt.

Googles eigener Sprecher lehnte es ab, die Echtheit des Papiers zu bestätigen. Die NASA, die es kurzzeitig gehostet hatte, schwieg. Die Begutachtung, so die Quelle im Unternehmen, könne Wochen oder Monate dauern. Das Ergebnis, das die Öffentlichkeit zuerst erreichte, kam durch ein Leck, nicht durch eine Fachzeitschrift.

So sieht die Form des Meilensteinrennens aus, wie die Aufzeichnung sie zeigt: ein 50-Qubit-Prototyp von IBM im November 2017, ein Überlegenheitsanspruch mit 53 Qubits von Google im September 2019 und dazwischen ein Streit über die Kennzahl, ob die Zahl der Qubits oder ihre Qualität die Zahl ist, auf die es ankommt. Unternehmen, so notierte Gizmodo vom Q2B-Parkett, wurde gesagt, die praktische Nutzung könne Jahrzehnte entfernt sein. IBMs eigene Prognose setzte Quantum Advantage innerhalb eines Jahrzehnts an, wenn sich das Quantum Volume weiter jedes Jahr verdoppelt.

Beide Unternehmen bauten weiter. Der Streit darüber, wie das Ergebnis zu nennen ist, wird das Bauteil, das es hervorbrachte, vermutlich überdauern.