Quantensupremacy: Der Wettlauf von Google, IBM und Rivalen um den Qubit-Meilenstein

John Martinis, Leiter der quantenphysikalischen Forschungsgruppe bei Google, sagte im April 2017 gegenüber MIT Technology Review, sein rund 25-köpfiges Team werde bis Ende desselben Jahres ein Gerät bauen, das „Quantensupremacy“ demonstrieren kann. Das Ziel war ein Gitter aus 49 Qubits. Die Hardware, die er damals vorweisen konnte, besaß sechs.

Diese Lücke zwischen Versprechen und Silizium ist ein nützlicher Maßstab für das Rennen um Meilensteine im Quantencomputing. Bis zum Ende des Jahrzehnts wurde es zu einem Streit über die Terminologie genauso wie über die Physik. Google, IBM, Intel, Microsoft und eine Reihe von Startups setzten jeweils eigene Metriken für den Fortschritt. Die Zahlen bewegten sich. Die Definitionen blieben unklar.

Ein Zwischenschritt mit sechs Qubits

Googles 6-Qubit-Chip, den Martinis auf der IEEE TechIgnite-Konferenz in Burlingame, Kalifornien, beschrieb, arrangierte seine Qubits in einer 2-3-Konfiguration. Es ging nicht um die rohe Anzahl. Es sollte zeigen, dass die Technologie funktionierte, wenn Qubits nebeneinander saßen, wie es in größeren Geräten nötig wäre. Der Chip testete auch eine Fertigungsmethode, bei der Qubits und die konventionelle Verkabelung, die sie steuert, auf separaten Chips hergestellt und später per „Bump Bonding“ verbunden werden. Googles Team konzentrierte sich seit der Gründung vor knapp zwei Jahren auf diesen Ansatz, um zusätzliche Steuerleitungen zu eliminieren, die die Qubit-Funktion stören können.

„Dieser Prozess funktioniert alles“, sagte Martinis gegenüber MIT Technology Review. „Jetzt sind wir bereit, schnell voranzukommen.“

Martinis wechselte Ende 2014 von der University of California, Santa Barbara, zu Google, wo er weiterhin Professor ist. Simon Gustavsson vom MIT, ein Hauptforscher in einer quantencomputing-Forschungsgruppe, beschrieb die Führung im Feld als „recht vergleichbar zwischen Google und IBM“. Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitbegründer des Startups IonQ, war unmissverständlich über die Bedeutung einer Supremacy-Demonstration: „Es wird ein akademischer Meilenstein sein. Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht.“

Martinis stimmte zu, dass viel zu tun sei. Er argumentierte, das Experiment könnte als Benchmark für alle dienen, die einen funktionierenden Quantencomputer behaupten, und sagte, das Ziel habe Google-Managern und Mitgründer Sergey Brin geholfen, zu verstehen, dass die Technologie real werde. „Sie alle verstehen es und sind sehr begeistert“, sagte er.

IBM antwortet mit 50 Qubits

IBM ging bei der Schlagzeilenzahl zuerst voran. Am Freitag, dem 10. November 2017, erklärte Dario Gil, der die Forschungsabteilung für Quantencomputing und künstliche Intelligenz bei IBM leitete, dass die Wissenschaftler des Unternehmens erfolgreich einen Prototypen mit 50 Qubits gebaut und gemessen hatten. Gil nannte es das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer in dieser Größe baute, berichtete die Associated Press über The Seattle Times.

Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT, der nicht an IBMs Forschung beteiligt war, sagte, es sei wahrscheinlich, dass IBM noch Macken ausarbeiten müsse, aber die Ankündigung sei ein Zeichen für erheblichen Fortschritt. Der Artikel bot keine unabhängige Verifizierung der Leistungsbehauptung.

Einen Monat später, auf der ersten Konferenz für Quantencomputing im Geschäftsbereich bei NASA Ames, widersprach Martinis dem Zählen von Qubits als Spielstand. „Pressemitteilungen sprechen immer von einem Quanten-Wettlauf in der Anzahl der Qubits“, sagte er, berichtete Gizmodo. „Es geht um mehr als nur Menge, es geht um die Qualität der Qubits.“

Gizmodo berichtete am 8. Dezember 2017, dass Google damals sein Supremacy-Gerät mit 49 oder 50 Qubits fertigte, mit Tests, die in zwei Wochen beginnen würden, ohne Berücksichtigung der Weihnachtsferien. Der Artikel skizzierte auch, was der Test beinhalten würde: Qubits verschränken, das System evolvieren lassen und Ergebnisse abtasten, deren Wahrscheinlichkeitsverteilung so komplex ist, dass eine klassische Maschine den Quantencomputer simulieren muss, um sie zu überprüfen, was potenziell Wochen dauern kann, während das Quantengerät es in Minuten tut. Der Caltech-Theoretiker John Preskill, der anwesend war, beschrieb den Moment als die NISQ-Ära, für Noisy, Intermediate-Scale Quantum Computer.

Supremacy behauptet, dann bestritten

Die Behauptung kam im September 2019. Fortune erhielt eine Kopie eines Google-Papiers, das früher in der Woche auf NASA.gov eingestellt und dann entfernt worden war. Ein Google-Sprecher verweigerte die Bestätigung der Authentizität und Ergebnisse des Papiers. Eine Quelle bei Google, die mit der Situation vertraut war, schlug vor, dass NASA es versehentlich zu früh veröffentlicht hatte, bevor die Peer-Review, die Wochen bis Monate dauern kann, abgeschlossen war. Die Financial Times berichtete zuerst über die Nachricht.

Die zentralen Zahlen des Papiers waren deutlich. „Während unser Prozessor etwa 200 Sekunden braucht, um eine Instanz des Quantenschaltkreises 1.000.000 Mal abzutasten, würde ein Supercomputer des Standes der Technik ungefähr 10.000 Jahre benötigen, um die äquivalente Aufgabe auszuführen“, schrieben die Forscher. Der Chip, benannt Sycamore, enthielt 53 Qubits. Das Team hatte von einem 72-Qubit-Design namens Bristlecone abgesehen. Auf einem Google-Cloud-Server, so schätzten die Forscher, würde dasselbe Experiment 50 Billionen Stunden dauern; auf dem Quantenprozessor, 30 Sekunden. Sie schrieben, dass Quantenbeschleunigung „in einem realen System erreichbar ist und durch keine versteckten physikalischen Gesetze ausgeschlossen wird“, und sagten voraus, dass Quantenrechenleistung mit einer doppelten Exponentialrate wachsen würde, schneller als das Mooresche Gesetz.

Nicht alle akzeptierten das Framing. Dario Gil, Leiter der IBM Research, sagte Fortune, das Experiment sei eine hochspezielle Labordemonstration mit „keinen praktischen Anwendungen“, und riet davon ab, Quantensupremacy als Fortschrittsmetrik zu verwenden. „Das Experiment und der Begriff ‚Supremacy‘ werden von fast allen missverstanden“, sagte er. „Quantencomputer werden nie ‚suprem‘ über klassischen Computern herrschen, sondern werden eher zusammen mit ihnen arbeiten, da jeder seine einzigartigen Stärken hat.“ Jim Clarke, Direktor der Quantenhardware bei Intel Labs, nannte es „einen bemerkenswerten Meilenstein“ und sagte, ein kommerziell tragfähiger Quantencomputer würde viele weitere F&E-Fortschritte erfordern. „Während die Entwicklung immer noch bei Meilenstein eins dieses Marathons ist, glauben wir stark an das Potenzial dieser Technologie“, sagte er.

Das Metrikproblem

IBM hatte bereits begonnen, für einen anderen Maßstab zu argumentieren. Im März 2019 berichtete ZDNET, IBM habe sein höchstes Quantum Volume bis dato auf der American Physical Society March Meeting vorgestellt. Quantum Volume wird durch Qubitanzahl, Konnektivität und Kohärenzzeit bestimmt, plus Gate- und Messfehler, Geräte-Kreuzsprechung und Compiler-Effizienz der Schaltkreissoftware. IBM sagte, sein Q System One mit einem 20-Qubit-Prozessor habe ein Quantum Volume von 16 erzeugt, das Doppelte des damaligen IBM Q bei 8, und habe einige der niedrigsten Fehlerraten, die IBM je gemessen hatte. IBM sagte, Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts Quantum Advantage zu erreichen, den Punkt, an dem Quantenanwendungen erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bieten. Es habe die Leistung seiner Quantencomputer seit 2017 jährlich verdoppelt.

Das ist die wiederkehrende Form dieses Rennens. Ein Unternehmen setzt ein Ziel, verfehlt das Datum, definiert dann die Ziellinie neu. Martinis versprach Supremacy bis Ende 2017 mit 49 Qubits. Google lieferte eine Behauptung 2019 mit 53. IBM antwortete mit einem 50-Qubit-Prototyp und dann mit einer zusammengesetzten Metrik, die die Qubitanzahl nur zu einem von mehreren Inputs machte. Die Hardware ist real. Der Spielstand ist es nicht.