Googles Anspruch auf Quantenüberlegenheit und das folgende Wettrennen um Meilensteine

Der Aufsatz erschien in jener Woche bei NASA.gov und wurde danach wieder entfernt. Fortune berichtete am 20. September 2019 darüber und beschaffte sich eine Kopie. Die Financial Times meldete die Nachricht zuerst. Ein Google-Sprecher wollte die Echtheit des Aufsatzes und seiner Ergebnisse nicht bestätigen. Die NASA antwortete nicht sofort auf eine Anfrage nach einer Stellungnahme.

Eine mit der Sache vertraute Quelle bei Google sagte, die NASA habe den Aufsatz versehentlich zu früh veröffentlicht. Das Peer-Review-Verfahren, das die Ansprüche des Teams prüfen sollte, kann Wochen bis Monate dauern. Die Zahl, die die ganze Geschichte trägt, 200 Sekunden gegen 10.000 Jahre, kam also ohne diese Prüfung an die Öffentlichkeit. So sieht jeder Quantenmeilenstein aus: eine Messung, ein Vergleich mit einer klassischen Maschine und eine Debatte darüber, was der Vergleich tatsächlich bedeutet.

Der Aufsatz von 2019 beschrieb ein Experiment, das zufällig erzeugte Zahlen über ein spezialisiertes Szenario mit Quantenphänomenen abtastete. Die Forscher sagten, ihr Quantencomputer habe bei der Aufgabe normale Computer geschlagen. Die Aufgabe bestand darin, die Ausgabe bestimmter spezialisierter Schaltkreise zu berechnen.

Googles Maschine, Sycamore genannt, enthielt 53 Qubits, ein Maß für die potenzielle Leistungsfähigkeit des Geräts. Das Team war von einem 72-Qubit-Gerät namens Bristlecone abgerückt, das es zuvor entworfen hatte. Die Forscher schätzten, dass dasselbe Experiment auf einem Google-Cloud-Server 50 Billionen Stunden dauern würde, zu lange, um machbar zu sein. Auf dem Quantenprozessor, so sagten sie, dauerte es nur 30 Sekunden.

Zwei Jahre zuvor ein Ziel von 49 Qubits

Der Ehrgeiz war nicht neu. Im April 2017 berichtete MIT Technology Review, John Martinis, der Googles Quantenforschungsgruppe leitete, habe sich nur wenige Monate gegeben, um einen Meilenstein in der Computergeschichte zu erreichen: ein Gerät, das eine bestimmte Berechnung ausführen konnte, die außerhalb der Reichweite jedes herkömmlichen Computers lag. Den Beweis, sagte er, sollte ein Beschleunigungsrennen zwischen Googles Chip und einem der größten Supercomputer der Welt liefern.

Zu diesem Zeitpunkt hatte Googles rund 25-köpfige Gruppe einen neuen Chip mit sechs Qubits in einer Zwei-mal-drei-Anordnung. Martinis sagte, das Layout zeige, dass die Technologie des Unternehmens noch funktioniere, wenn Qubits nebeneinander lagen, wie sie es in größeren Geräten tun würden. Es war zugleich ein Test eines Fertigungsverfahrens: Qubits und die herkömmliche Verdrahtung, die sie steuert, entstehen auf getrennten Chips und werden später über Bump-Bonding verbunden. Dieser Ansatz sollte zusätzliche Steuerleitungen beseitigen, die die Funktion der Qubits stören können. Google hatte Ergebnisse eines Neun-Qubit-Chips in einer Reihe veröffentlicht. Martinis sagte, er brauche ein Raster von 49 Qubits für das Überlegenheitsexperiment. Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits waren bereits in Arbeit.

"Dieser Prozess funktioniert insgesamt", sagte Martinis zu MIT Technology Review. "Jetzt sind wir bereit, sozusagen schnell voranzukommen."

Nicht alle behandelten das Ziel als Ziellinie. Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Start-ups IonQ, nannte es "einen akademischen Meilenstein" und fügte hinzu: "Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht." Martinis stimmte zu, dass viel zu tun blieb. Er argumentierte aber, das Experiment könne zu einem Maßstab für jeden werden, der behauptet, einen funktionierenden Quantencomputer zu haben. Er sagte auch, das Ziel habe Managern bei Google und Mitgründer Sergey Brin geholfen zu erkennen, dass die Technologie real werde.

IBMs Gegenposition und eine andere Kennzahl

IBM hatte eine eigene Ankündigung. Am 10. 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 der Forschung beteiligt, sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Fehler auszumerzen. Die Ankündigung sei ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Bis März 2019 argumentierte IBM gegen Qubit-Zahlen als wichtigste Kennzahl. Auf dem March Meeting der American Physical Society nannte das Unternehmen ein Quantum Volume von 16 für sein Q System One, das einen 20-Qubit-Prozessor hat, doppelt so viel wie das Quantum Volume von 8 für sein bestehendes IBM-Q-System. Das Quantum Volume wird durch die Zahl der Qubits, die Konnektivität und die Kohärenzzeit bestimmt, dazu kommen Gate- und Messfehler, Übersprechen im Gerät und die Effizienz des Compilers für die Schaltungssoftware. IBM sagte, das Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts den Quantenvorteil zu erreichen, den Punkt, an dem Quantenanwendungen erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bieten.

Gils Einwand gegen die Überlegenheits-Rhetorik war deutlich. "Das Experiment und der Begriff 'Überlegenheit' werden von fast allen missverstanden werden", sagte er zu Fortune, und beschrieb die Arbeit als höchst speziellen Laborversuch mit "keinen praktischen Anwendungen". Er fügte hinzu: "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 Googles Neuigkeit "einen bemerkenswerten Meilenstein" und sagte, ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere viele Fortschritte in Forschung und Entwicklung. "Obwohl die Entwicklung noch bei Meile eins dieses Marathons steht, glauben wir fest an das Potenzial dieser Technologie", sagte er.

Die Google-Forscher waren für die nahe Zukunft optimistischer. "Aufgrund dieser Entwicklungen wandelt sich das Quantencomputing von einem Forschungsthema zu einer Technologie, die neue Rechenmöglichkeiten eröffnet", schrieben sie in dem Aufsatz, und fügten hinzu: "Wir sind nur einen kreativen Algorithmus von wertvollen Anwendungen in naher Zukunft entfernt."