IBMs Quantenchip schlägt die Supercomputer-Schätzung, während Rivalen auf Verschränkung und Post-Quanten-Sicherheit setzen

Am 29. September berichtete ScienceAlert, dass IBMs Quantenprozessor Nighthawk r2 eine Million Samples in 19 Sekunden erzeugt hat. Die Autoren der Arbeit schätzen, dass ein klassischer Supercomputer für dieselbe Aufgabe rund 110 Jahre bräuchte.

Das Ergebnis steht in einem Preprint auf arXiv. Es stammt von einem supraleitenden Chip mit 120 Qubits, der kommerziell zugänglich ist und über IBMs Cloud-Plattform läuft, nicht von einer eigens gebauten Labormaschine. Die Behauptung ist wichtig, weil sie die jüngste Runde in einem Streit ist, der seit 2018 läuft. Damals argumentierten Forscher der UC Berkeley erstmals, Random Circuit Sampling (RCS) sei ein starker Kandidat, um Quantenüberlegenheit zu zeigen. Googles 53-Qubit-Prozessor Sycamore machte 2019 Schlagzeilen mit einem RCS-Experiment, das klassische Maschinen praktisch nicht nachvollziehen konnten. Danach fanden klassische Forscher Abkürzungen, und die Quantenteams legten nach. Dieses Hin und Her prägt das Feld seit Jahren. Auf jede Demonstration folgt ein klassischer Widerspruch, auf jeden Widerspruch ein schwierigerer Quantentest.

Was das Ergebnis vom 29. September tatsächlich zeigt

Laut ScienceAlert wählte das Team um den theoretischen Festkörperphysiker Tigran Sedrakyan von BlueQubit 61 der 120 Qubits von Nighthawk r2 aus. Sie fuhren Zufallsschaltungen mit steigender Komplexität, bis zu 40 Zyklen. Bei 36 Zyklen fanden sie, was der Bericht eine Goldilocks-Zone nennt, mit 918 Zwei-Qubit-Gattern. Bei dieser Einstellung erzeugte der Prozessor die Million Samples in 19 Sekunden über den Standard-Cloud-Workflow der Plattform, ohne spezielle Kalibrierung.

Die Arbeit formuliert vorsichtig. "Nach unserem Wissen", schreiben die Forscher, "ist dies die erste Demonstration von Quantenüberlegenheit für ein gewöhnliches Random-Circuit-Sampling auf einem kommerziell und breit zugänglichen Quantenprozessor, den die meisten nicht spezialisierten Quantencomputer-Nutzer leicht nachbilden können." Der letzte Halbsatz leistet echte Arbeit. Frühere Demonstrationen stützten sich oft auf abgestimmte Hardware. Hier lief alles über dieselbe Schnittstelle, die jeder Cloud-Kunde sieht.

"Dies ist die erste Demonstration von Quantenüberlegenheit für ein gewöhnliches Random-Circuit-Sampling auf einem kommerziell und breit zugänglichen Quantenprozessor."

Die Zahl von 110 Jahren ist eine Schätzung, keine Messung. Niemand kann tatsächlich Rechenzeit auf Frontier buchen, dem ersten Exascale-Supercomputer der Welt und bis 2024 der schnellste. Also nutzte das Team Tensor-Netzwerk-Kontraktion, um die klassischen Kosten für die Reproduktion der Samples abzuschätzen. Diese Rechnung ergab rund 1,2 x 10^27 Operationen, was bei konservativer Schätzung der Dauerleistung von Frontier etwa 110 Jahren entspricht. ScienceAlert nennt zwei Einschränkungen. Die 110 Jahre sind keine grundsätzliche Grenze für klassische Hardware, sondern eine Schätzung, die an eine Methode zur Reproduktion des Experiments gebunden ist. Und klassische Forscher haben eine starke Bilanz beim Finden algorithmischer Abkürzungen. Die Autoren des Preprints räumen diese Möglichkeit ausdrücklich ein. Ihre Behauptung betrifft das, was am 29. September gezeigt wurde, nicht eine dauerhafte Barriere.

Verschränkungsmessung und das lange Spiel

Dieselbe Woche brachte ein zweites Ergebnis, das weniger spektakulär, aber strukturell bedeutsamer ist. ScienceDaily berichtete am 29. September, dass Forscher der Universität Kyoto und der Universität Hiroshima eine Methode zur Identifizierung von W-Zuständen entwickelt und experimentell gezeigt haben. Diese Form der Mehrphotonen-Verschränkung hatte sich mehr als zwei Jahrzehnte einer effizienten Einzelmessung widersetzt.

Das Problem ist die Datenmenge. Die Standard-Quantentomographie rekonstruiert einen Zustand aus vielen Messungen, und der Datenbedarf wächst exponentiell mit der Photonenzahl. Eine verschränkte Messung kann einen Zustand stattdessen in einem Durchgang identifizieren. Für den Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand war das bereits gelungen, für W-Zustände nicht. Das Team aus Kyoto und Hiroshima nutzte eine Eigenschaft namens zyklische Verschiebungssymmetrie, um einen photonischen Quantenschaltkreis zu bauen, der eine Quanten-Fourier-Transformation ausführt, und testete ihn mit drei Photonen.

"Mehr als 25 Jahre nach dem ersten Vorschlag zur verschränkten Messung von GHZ-Zuständen haben wir endlich auch die verschränkte Messung für den W-Zustand erhalten, mit echtem experimentellem Nachweis für 3-Photonen-W-Zustände", sagte der korrespondierende Autor Shigeki Takeuchi in dem Bericht von ScienceDaily. Die Arbeit könnte in Quantenteleportation, Kommunikationsprotokolle und messungsbasiertes Quantenrechnen einfließen.

Sicherheitsteams bereiten sich bereits auf die Quantenbedrohung vor

Wenn die Hardware-Ergebnisse Fortschritte zeigen, zeigt die Sicherheitsseite Dringlichkeit. Cloudflare veröffentlichte am 29. September einen Beitrag über die Arbeit mit der IETF an einem Downgrade-Schutzmechanismus für IPsec, der jetzt in der Beta-Phase über die IPsec-Produkte des Unternehmens läuft. Das Problem: Ein Netzwerkangreifer kann die Post-Quanten-Authentifizierung aus einem Handshake entfernen und die Endpunkte auf klassische Kryptographie zurückzwingen, die ein künftiger Quantencomputer brechen könnte. Cloudflare erklärt, man habe einen Designfehler in IPsec wiederentdeckt, der einen raffinierteren Angriff erlaubt als das Standard-Downgrade, und zwar unabhängig von der verwendeten Authentifizierungsmethode. Der Angriff erfordert eine Quantenberechnung in Echtzeit während des Protokoll-Handshakes, ist also kein Harvest-now-decrypt-later-Fall. Cloudflare gibt an, noch nicht zu wissen, ob und wann der Angriff machbar sein wird, sagt aber, sinkende Ressourcenschätzungen für Quantenangriffe auf Public-Key-Kryptographie hätten das Unternehmen bewogen, seine Übergangsfrist auf 2029 vorzuziehen.

Die Gegenmaßnahme erfordert, dass beide Seiten die Erweiterung unterstützen. Cloudflare hat sie in der Beta für Cloudflare WAN und Magic Transit aktiviert, und Kunden können das Flag ipsec_downgrade_protection bei ihren Account-Managern anfordern. Das Unternehmen hofft, dass das breitere IPsec-Ökosystem folgt.

Rechenleistung verlässt den Planeten, und Energie ist die Grenze

Zwei weitere Entwicklungen der vergangenen Woche zeigen in unterschiedliche Richtungen. Am 29. September berichtete China-in-Space, dass STAR.VISION Aerospace auf der Global Digital Trade Expo am 25. September seine Space.IDC Computing Constellation vorgestellt hat, mit Plänen für rund 1.080 Raumfahrzeuge bis 2035, aufgeteilt in etwa 720 Inferenzeinheiten und 360 allgemeine Recheneinheiten. Das Unternehmen nannte Kreditvereinbarungen über 10 Milliarden Yuan (1,49 Milliarden US-Dollar zum 28. September) mit der Industrial and Commercial Bank of China und der Agricultural Bank of China, wobei mindestens 1 Milliarde Yuan für eine erste Phase verfügbar ist. Umlaufbahnen, Inter-Satelliten-Links, Kühlergrößen und Masse wurden nicht genannt, und regulatorische Anmeldungen sind noch nicht erfolgt.

Am selben Tag kündigte Efficient Computer eine Series-B-Runde über 97 Millionen Dollar unter Führung von TQ Ventures an, womit sich die Gesamtfinanzierung auf 173 Millionen Dollar bei einer Bewertung von 650 Millionen Dollar beläuft. In einem Blogbeitrag des Unternehmens argumentierte CEO Brandon Lucia, fest verdrahtete KI-Beschleuniger seien ein schlechtes Geschäft, weil der nicht beschleunigte Teil einer Arbeitslast die Obergrenze für die Systemeffizienz setzt, unter Verweis auf Amdahls Gesetz. Efficient beansprucht für seinen Chip Electron E1 eine 10- bis 100-fach bessere Energieeffizienz als traditionelle CPU-Architekturen und gibt an, ihn in Serie zu produzieren.

Zusammengenommen beschreiben die Nachrichten der Woche keinen einzelnen Durchbruch. Sie beschreiben ein Feld, das an mehreren Fronten gleichzeitig arbeitet: Überlegenheit auf zugänglicher Hardware nachweisen, verschränkte Zustände effizient messen lernen, das Internet gegen eine noch nicht eingetroffene Bedrohung härten und darüber streiten, woher der Strom für all das kommen soll. Das 19-Sekunden-Ergebnis ist die Schlagzeile, doch es ist eine Schätzung über eine klassische Maschine, die nie tatsächlich gefragt wurde, es zu versuchen.