IBMs Nighthawk r2 reklamiert Quantenvorteil in 19 Sekunden

ScienceAlert berichtete am 29. September über die Arbeit. Darin steht ein supraleitender 120-Qubit-Chip auf einer kommerziell verfügbaren Cloud-Plattform. Gemessen wird, wie schnell er klassische Hardware bei einer Aufgabe namens Random Circuit Sampling hinter sich lässt.

Bemerkenswert ist der Anspruch, weil er ohne die üblichen Einschränkungen auskommt: keine spezielle Kalibrierung, kein privilegierter Zugang. Das Team um den theoretischen Festkörperphysiker Tigran Sedrakyan von BlueQubit wählte 61 der Qubits von Nighthawk r2 aus und ließ Zufallsschaltkreise mit wachsender Komplexität laufen, bis zu 40 Zyklen, über den Standard-Cloud-Workflow der Plattform. Eine besondere Abstimmung fand nicht statt. Den besten Punkt fanden die Forscher bei 36 Zyklen mit 918 Zwei-Qubit-Gattern. Bei dieser Einstellung erzeugte der Prozessor eine Million Samples in 19 Sekunden. Die Autoren schreiben, nach ihrem Wissen sei dies die erste Demonstration eines Quantenvorteils für Vanilla-Random-Circuit-Sampling auf einem kommerziell und breit zugänglichen Quantenprozessor, den auch Nicht-Fachleute leicht nachvollziehen können.

Warum 110 Jahre eine Schätzung sind, kein Urteil

Niemand hat dieselbe Aufgabe auf einem Supercomputer laufen lassen. So funktioniert das nicht. Die Aufgabe soll für klassische Hardware praktisch unmöglich sein, und die schnellsten Maschinen der Welt sind ausgebucht. Deshalb griffen die Forscher auf Tensor-Network-Kontraktion zurück, ein Verfahren, das den Rechenaufwand der Simulation eines Quantenschaltkreises abschätzt.

Mit dieser Methode berechneten sie, dass die Reproduktion ihrer Million Samples etwa 1.2 x 10^27 Rechenoperationen erfordern würde. Frontier, der erste Exascale-Supercomputer und bis 2024 der schnellste, erreicht Spitzenwerte von über einer Trillion Operationen pro Sekunde. Bei konservativer Auslegung seiner Dauerleistung kommen die Forscher auf umgerechnet rund 110 Jahre.

"Nach unserem Wissen", schreiben die Forscher in einer Arbeit unter Leitung des theoretischen Festkörperphysikers Tigran Sedrakyan von BlueQubit, "ist dies die erste Demonstration eines Quantenvorteils für ein Vanilla-Random-Circuit-Sampling auf einem kommerziell und breit zugänglichen Quantenprozessor, den die meisten Nicht-Fachleute leicht nachvollziehen können."

ScienceAlert geht mit der Zahl vorsichtig um, und Leser sollten das ebenfalls tun. Die 110 Jahre sind keine fundamentale Geschwindigkeitsgrenze klassischer Computer. Sie sind eine Schätzung, gebunden an eine Methode, das Experiment zu reproduzieren. Klassische Forscher haben in der Vergangenheit immer wieder Abkürzungen gefunden, und effizientere Algorithmen könnten den nötigen Aufwand verringern. Sedrakyan und Kollegen räumen diese Möglichkeit in der Arbeit ein. Ihr Anspruch ist enger gefasst: Diese konkrete Aufgabe auf dieser konkreten Hardware liegt jenseits der praktischen Reichweite einer klassischen Maschine mit bekannten Verfahren.

Zum Kontext: Das Rennen selbst ist nicht neu. Forscher der UC Berkeley legten 2018 die theoretische Grundlage für Random Circuit Sampling. Googles 53-Qubit-Prozessor Sycamore erhob 2019 einen ähnlichen Anspruch, und klassische Forscher arbeiteten in den folgenden Jahren daran, ihn zu entkräften. Geändert hat sich das Vehikel: ein kommerzieller Cloud-Dienst, kein maßgeschneiderter Laboraufbau.

In derselben Woche schloss sich eine 25 Jahre alte Messlücke

Am selben Tag, an dem ScienceAlert veröffentlichte, meldete die Universität Kyoto ein separates Ergebnis. Es hat nichts mit Geschwindigkeitsrekorden zu tun, sondern alles mit Messung. Laut ScienceDaily vom 29. September entwickelten und demonstrierten Forscher der Universität Kyoto und der Universität Hiroshima experimentell eine verschränkte Messung, die W-Zustände identifizieren kann. W-Zustände sind eine Form der Mehrphotonenverschränkung, die sich diesem Verfahren jahrzehntelang entzogen hatte.

Die verschränkte Messung ist eine Ein-Schuss-Alternative zur Quantentomographie. Diese rekonstruiert einen Zustand aus vielen Messungen, und ihr Datenbedarf wächst mit jedem zusätzlichen Photon exponentiell. Für den GHZ-Zustand, eine weitere bekannte Form der Mehrphotonenverschränkung, war das bereits gelungen. Für den W-Zustand gab es keine vergleichbare Methode, weder vorgeschlagen noch demonstriert.

"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 einer echten experimentellen Demonstration für 3-Photonen-W-Zustände", sagt der korrespondierende Autor Shigeki Takeuchi.

Das Team stützte seinen Ansatz auf die zyklische Verschiebungssymmetrie, eine mathematische Eigenschaft des W-Zustands, und entwarf einen photonischen Quantenschaltkreis, der eine Quanten-Fourier-Transformation ausführt. Dann bauten die Forscher ein Gerät aus hochstabilen optischen Quantenschaltkreisen, das lange ohne aktive Steuerung laufen konnte, und testeten es mit drei Photonen. Das Verfahren lässt sich prinzipiell auf W-Zustände mit beliebig vielen Photonen erweitern, die Demonstration umfasste jedoch drei.

Die beiden Geschichten ziehen in unterschiedliche Richtungen. Die eine ist eine Schlagzeilenzahl, die wegen der verwendeten Technik aktiv umstritten ist. Die andere ist eine stille Fähigkeit, die künftige Mehrphotonensysteme leichter charakterisierbar macht. Beide erschienen innerhalb von Stunden.

Was sich am 29. September sonst noch bewegte

Derselbe Tag brachte zwei weitere nennenswerte Meldungen. Jede zeigt auf einen anderen Engpass.

• Cloudflare erklärte, mit der IETF an einer Abwehr gegen Downgrade-Angriffe auf IPsec gearbeitet und Beta-Unterstützung in Cloudflare WAN und Magic Transit ausgerollt zu haben. Das Unternehmen schrieb, der Angriff erfordere eine Quantenberechnung in Echtzeit während des Protokoll-Handshakes. Man wisse noch nicht, ob oder wann er machbar sein werde, und man habe die Frist für den Post-Quanten-Übergang auf 2029 vorgezogen.
• Efficient Computer kündigte eine Series B über 97 Millionen US-Dollar unter Führung von TQ Ventures an. Damit steigt die Gesamtfinanzierung auf 173 Millionen US-Dollar bei einer Bewertung von 650 Millionen US-Dollar. CEO Brandon Lucia schrieb, die Technologie des Unternehmens bringe eine 10-100x höhere Energieeffizienz im Vergleich zu traditionellen CPU-Architekturen, und der Electron E1 starte in Serie für eingebettete physische KI-Systeme.

Energie und die Migration der Kryptographie sind die wenig glamourösen Zwänge unter jeder Quanten-Schlagzeile. Cloudflares Beitrag merkt an, dass die Ressourcenschätzungen für Quantenangriffe auf Public-Key-Kryptographie drastisch gesunken sind. Deshalb zog das Unternehmen seine Frist vor, statt sie zu verschieben.

Dazu kommt eine Angebotsgeschichte. China-in-Space berichtete am 29. September, dass STAR.VISION Aerospace auf der Global Digital Trade Expo am 25. September eine weltraumgestützte Computing-Konstellation vorgestellt habe. Geplant sind etwa 1.080 Raumfahrzeuge bis 2035 sowie strategische Kreditvereinbarungen im Wert von 10 Milliarden Yuan (1,49 Milliarden US-Dollar zum 28. September) mit zwei chinesischen Banken. Details zu Umlaufbahnen, Inter-Satelliten-Links und Kühlergrößen wurden nicht genannt.

Nichts davon klärt, ob IBMs 19 Sekunden Bestand haben. Es wird geprüft werden, so wie Sycamores Anspruch geprüft wurde, von Leuten, deren Aufgabe es ist, die Abkürzung zu finden. Die Arbeit liegt auf arXiv, die Plattform in der Cloud. Damit kann die Replikationsdebatte zumindest öffentlich stattfinden.