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

Am 29. September meldete 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 kommerziell zugänglichen supraleitenden Chip mit 120 Qubits, der über IBMs Cloud-Plattform erreichbar ist, 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 Quantenvorteil zu zeigen. Googles Sycamore-Prozessor mit 53 Qubits 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. Die Forscher führten Zufallsschaltkreise mit steigender Komplexität aus, bis zu 40 Zyklen. Bei 36 Zyklen fanden sie, was der Bericht eine Goldlöckchen-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 Quantenvorteil 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 Teilsatz leistet echte Arbeit. Frühere Demonstrationen stützten sich oft auf speziell abgestimmte Hardware; hier lief alles über dieselbe Schnittstelle, die jeder Cloud-Kunde sieht.

"Dies ist die erste Demonstration von Quantenvorteil 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. Das Team nutzte deshalb Tensor-Netzwerk-Kontraktion, um die klassischen Kosten für die Reproduktion der Samples zu schätzen. Diese Rechnung ergab rund 1,2 x 10^27 Operationen, was bei einer konservativen Annahme zur Dauerleistung von Frontier etwa 110 Jahren entspricht. ScienceAlert nennt zwei Einschränkungen. Die 110 Jahre sind keine fundamentale Grenze klassischer Hardware, sondern eine Schätzung, die an eine Methode zur Reproduktion des Experiments gebunden ist. Und klassische Informatiker 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, weniger spektakulär, aber strukturell womöglich wichtiger. 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 Korrespondenzautor Shigeki Takeuchi in dem Bericht von ScienceDaily. Die Arbeit könnte in Quantenteleportation, Kommunikationsprotokolle und messungsbasiertes Quantenrechnen einfließen.

Sicherheitsteams bereiten sich schon auf die Quantenbedrohung vor

Zeigen die Hardware-Ergebnisse Fortschritte, so zeigt die Sicherheitsseite Dringlichkeit. Cloudflare veröffentlichte am 29. September einen Beitrag über die Arbeit mit der IETF an einem Schutzmechanismus gegen Downgrade-Angriffe für IPsec. Der Mechanismus läuft inzwischen in der Beta-Phase aller IPsec-Produkte des Unternehmens. 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 berichtet, 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 verlangt eine Quantenberechnung in Echtzeit während des Protokoll-Handshakes, ist also kein Harvest-now-decrypt-later-Fall. Cloudflare erklärt, man wisse noch nicht, ob und wann der Angriff machbar sein wird. Sinkende Ressourcenschätzungen für Quantenangriffe auf Public-Key-Kryptographie hätten das Unternehmen aber bewogen, die eigene Übergangsfrist auf 2029 vorzuziehen.

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

Rechenleistung verlässt den Planeten, und Energie ist die Grenze

Zwei weitere Entwicklungen der vergangenen Woche weisen in andere Richtungen. Am 29. September meldete China-in-Space, dass STAR.VISION Aerospace auf der Global Digital Trade Expo am 25. September seine Space.IDC Computing Constellation vorgestellt hat. Geplant sind rund 1.080 Raumfahrzeuge bis 2035, aufgeteilt in etwa 720 Inferenzeinheiten und 360 allgemeine Recheneinheiten. Das Unternehmen nannte Kreditvereinbarungen über 10.000.000.000 Yuan (1.490.000.000 US-Dollar zum 28. September) mit der Industrial and Commercial Bank of China und der Agricultural Bank of China, wobei mindestens 1.000.000.000 Yuan für eine erste Phase verfügbar sind. Umlaufbahnen, Intersatelliten-Verbindungen, Kühlergrößen und Masse wurden nicht genannt, regulatorische Anmeldungen stehen noch aus.

Am selben Tag kündigte Efficient Computer eine Series-B-Runde über 97.000.000 Dollar unter Führung von TQ Ventures an. Damit steigt die Gesamtfinanzierung auf 173.000.000 Dollar bei einer Bewertung von 650.000.000 Dollar. 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 der Systemeffizienz setze; er berief sich auf Amdahls Gesetz. Efficient beansprucht für seinen Chip Electron E1 eine 10- bis 100-fach bessere Energieeffizienz als traditionelle CPU-Architekturen und erklärt, der Chip gehe in Serienfertigung.

Zusammengenommen beschreiben die Nachrichten der Woche keinen einzelnen Durchbruch. Sie beschreiben ein Feld, das an mehreren Fronten gleichzeitig arbeitet: Vorteil auf zugänglicher Hardware nachweisen, verschränkte Zustände effizient messen lernen, das Internet gegen eine noch nicht eingetretene 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 niemand tatsächlich rechnen ließ.