IBMs Nighthawk r2 reklamiert Quantenvorteil in 19 Sekunden

ScienceAlert berichtete am 29. September, dass die Arbeit einen supraleitenden Chip mit 120 Qubits auf einer kommerziell verfügbaren Cloud-Plattform platziert und misst, wie schnell er klassische Hardware bei einer Aufgabe namens Random Circuit Sampling hinter sich lässt.

Die Behauptung ist deshalb bemerkenswert, weil sie ohne die üblichen Einschränkungen zu spezieller Kalibrierung oder privilegiertem Zugang auskommt. Das Team unter Leitung des Physikers Tigran Sedrakyan von BlueQubit, der zu theoretischer kondensierter Materie forscht, wählte 61 der Qubits von Nighthawk r2 aus und ließ Zufallsschaltkreise wachsender Komplexität laufen, bis zu 40 Zyklen, über den Standard-Cloud-Workflow der Plattform. Eine besondere Abstimmung fand nicht statt. Den besten Punkt fanden sie bei 36 Zyklen mit 918 Zwei-Qubit-Gattern. Bei dieser Einstellung erzeugte der Prozessor in 19 Sekunden eine Million Samples. Die Autoren schreiben, nach ihrem Wissen sei dies der erste Nachweis eines Quantenvorteils für gewöhnliches Random-Circuit-Sampling auf einem kommerziell und breit zugänglichen Quantenprozessor, den auch Nutzer ohne Fachkenntnisse leicht nachbauen können.

Warum 110 Jahre eine Schätzung sind und kein Urteil

Niemand hat dieselbe Aufgabe auf einem Supercomputer laufen lassen. So funktioniert das Verfahren nicht. Weil die Aufgabe für klassische Hardware praktisch unmöglich sein soll und weil die schnellsten Rechner der Welt ausgebucht sind, griffen die Forscher auf Tensor-Netzwerk-Kontraktion zurück. Dieses Verfahren schätzt den Rechenaufwand ab, den die Simulation eines Quantenschaltkreises kostet.

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 Quintillion Operationen pro Sekunde. Bei vorsichtiger Auslegung seiner Dauerleistung setzten die Forscher das Äquivalent auf rund 110 Jahre an.

„Nach unserem Wissen“, schreiben die Forscher in einer Arbeit unter Leitung des Physikers Tigran Sedrakyan von BlueQubit, der zu theoretischer kondensierter Materie forscht, „ist dies der erste Nachweis eines Quantenvorteils für ein gewöhnliches Random-Circuit-Sampling auf einem kommerziell und breit zugänglichen Quantenprozessor, den die meisten Nutzer ohne Fachkenntnisse leicht nachbauen können.“

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

Zum Vergleich: Das Rennen selbst ist nicht neu. Forscher der UC Berkeley legten 2018 die theoretische Grundlage für Random Circuit Sampling. Googles Sycamore-Prozessor mit 53 Qubits erhob 2019 eine ähnliche Behauptung, und klassische Forscher arbeiteten in den folgenden Jahren daran, sie zu entkräften. Geändert hat sich das Vehikel: ein kommerzieller Cloud-Dienst statt eines eigens gebauten Laboraufbaus.

In derselben Woche schloss sich eine 25 Jahre alte Messlücke

Am selben Tag, an dem ScienceAlert veröffentlichte, meldete die Universität Kyoto ein separates Ergebnis, das nichts mit Geschwindigkeitsrekorden zu tun hat und 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. Diese Form der Mehrphotonenverschränkung hatte sich jahrzehntelang dieser Behandlung widersetzt.

Die verschränkte Messung ist eine Ein-Schuss-Alternative zur Quantentomographie, die einen Zustand aus vielen Messungen rekonstruiert und deren Datenbedarf mit jedem zusätzlichen Photon exponentiell wächst. Für den GHZ-Zustand, eine andere bekannte Form der Mehrphotonenverschränkung, war das bereits gelungen. Für den W-Zustand gab es kein vergleichbares Verfahren, 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 optischen Quantenschaltkreisen hoher Stabilität, das über lange Zeit ohne aktive Steuerung laufen konnte, und testeten es mit drei Photonen. Das Verfahren lässt sich grundsätzlich auf W-Zustände mit beliebig vielen Photonen erweitern, die Demonstration umfasste jedoch drei.

Die beiden Geschichten ziehen in verschiedene Richtungen. Die eine ist eine Schlagzeilenzahl, die durch die Art des verwendeten Verfahrens 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 Meldungen, jede zeigt auf einen anderen Engpass.

• Cloudflare erklärte, mit der IETF an einer Abwehr gegen Downgrade-Angriffe auf IPsec gearbeitet zu haben, und führte Beta-Support in Cloudflare WAN und Magic Transit ein. Das Unternehmen schrieb, der Angriff erfordere eine Quantenberechnung in Echtzeit während des Protokoll-Handshakes, man wisse noch nicht, ob und wann er machbar sei, und man habe die eigene Frist für den Umstieg auf Post-Quanten-Kryptographie auf 2029 vorgezogen.
• Efficient Computer kündigte eine Series B über 97 Millionen US-Dollar unter Führung von TQ Ventures an, womit sich die Gesamtsumme auf 173 Millionen US-Dollar bei einer Bewertung von 650 Millionen US-Dollar beläuft. CEO Brandon Lucia schrieb, die Technologie des Unternehmens bringe eine 10- bis 100-fache Verbesserung der Energieeffizienz im Vergleich zu klassischen CPU-Architekturen, und der Electron E1 starte in Serie für eingebettete physische KI-Systeme.

Energie und der Umstieg auf neue Kryptographie sind die unspektakulären Zwänge unter jeder Quantenschlagzeile. Cloudflares Beitrag merkt an, dass die Ressourcenschätzungen für Quantenangriffe auf Public-Key-Kryptographie deutlich gesunken sind. Deshalb hat das Unternehmen seine Frist vorverlegt statt nach hinten zu schieben.

Dazu kommt eine Geschichte von der Angebotsseite. China-in-Space berichtete am 29. September, dass STAR.VISION Aerospace am 25. September auf der Global Digital Trade Expo eine weltraumgestützte Computing-Konstellation vorgestellt habe, mit Plänen für etwa 1.080 Raumfahrzeuge bis 2035 und strategischen Kreditvereinbarungen über 10.000.000.000 Yuan (1.490.000.000 US-Dollar nach Stand vom 28. September) mit zwei chinesischen Banken. Angaben zu Umlaufbahnen, Intersatellitenverbindungen und Kühlergrößen wurden nicht gemacht.

Nichts davon entscheidet, ob IBMs 19 Sekunden Bestand haben. Man wird sie prüfen, so wie man Sycamores Behauptung geprüft hat, und zwar von Leuten, deren Aufgabe es ist, die Abkürzung zu finden. Die Arbeit steht auf arXiv, die Plattform in der Cloud. Das bedeutet immerhin, dass die Debatte um die Reproduktion öffentlich stattfinden kann.