Quantenüberlegenheit: Was Googles Meilenstein von 2019 behauptete und warum IBM widersprach

Googles Behauptung ruht auf einer Zahl: 200 Sekunden gegen geschätzte 10.000 Jahre. Die Arbeit wurde auf NASA.gov veröffentlicht und am 20. September 2019 von Fortune gemeldet. Die Forscher des Unternehmens schrieben, ihr Prozessor brauche etwa 200 Sekunden, um eine Instanz der Quantenschaltung eine Million Mal abzutasten. Ein modernster Supercomputer würde für die entsprechende Aufgabe ungefähr 10.000 Jahre benötigen. Auf diesem Vergleich steht der Begriff Quantenüberlegenheit: Eine Quantenmaschine löst ein Problem, das ein klassischer Rechner in keiner praktikablen Zeit bewältigen kann.

Die Maschine hieß Sycamore und trug 53 Qubits. Google hatte zuvor ein Gerät mit 72 Qubits namens Bristlecone entworfen und ist davon wieder abgerückt. Die Forscher schätzten außerdem, dass dasselbe Experiment auf einem Google-Cloud-Server 50 Billionen Stunden dauern würde. Auf dem Quantenprozessor dauerte es 30 Sekunden.

Zunächst bestätigte Google nichts davon. Ein Sprecher lehnte es ab, die Echtheit der Arbeit und ihrer Ergebnisse zu bestätigen, und die NASA antwortete nicht sofort auf eine Anfrage nach einer Stellungnahme. Eine mit der Sache vertraute Quelle bei Google legte nahe, die NASA habe die Arbeit versehentlich zu früh veröffentlicht. Die Behauptungen des Teams konnten damals noch nicht durch wissenschaftliche Begutachtung geprüft werden, ein Verfahren, das Wochen bis Monate dauert. Die Financial Times berichtete zuerst darüber.

Zwei Jahre Vorlauf

Google hatte dieses Ziel mindestens seit 2017 signalisiert. Im April jenes Jahres berichtete MIT Technology Review, John Martinis, der die Google-Forschungsgruppe leitete, habe sich nur wenige Monate gesetzt, um einen Meilenstein in der Geschichte des Rechnens zu erreichen. Martinis kam Ende 2014 von der University of California, Santa Barbara, wo er weiterhin Professor ist, zu Google. Seine rund 25-köpfige Gruppe hatte einen Chip mit sechs Qubits in einer Zwei-mal-drei-Anordnung gebaut. Dieser Chip erprobte ein Fertigungsverfahren, bei dem Qubits und die herkömmliche Verdrahtung zu ihrer Steuerung auf getrennten Chips hergestellt und später über Bump-Bonding verbunden werden. Der Ansatz soll zusätzliche Steuerleitungen beseitigen, die die Funktion der Qubits stören können.

„Dieser Prozess funktioniert vollständig“, sagte Martinis damals zu MIT Technology Review. „Jetzt sind wir bereit, gewissermaßen schnell voranzukommen.“ Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits seien bereits in Arbeit, sagte er, und für sein Experiment zur Quantenüberlegenheit brauche er ein Raster von 49 Qubits. Im Dezember 2017 warnte er auf der Konferenz Q2B am NASA Ames davor, Fortschritt an der Qubit-Zahl abzulesen. „Pressemitteilungen sprechen immer vom Quanten-Wettrüsten in Zahlen von Qubits“, zitierte ihn Gizmodo. „Es ist mehr als nur Quantität, es ist Qubit-Qualität.“ Gizmodo berichtete, Google fertige damals sein Gerät mit 49 oder 50 Qubits und werde innerhalb von zwei Wochen mit Tests beginnen.

Auch andere Unternehmen bewegten sich auf demselben Feld. IBM meldete im November 2017, seine Wissenschaftler hätten einen Prozessorprototyp mit 50 Qubits gebaut und vermessen. Dario Gil, der die Forschung von IBM zu Quantencomputing und künstlicher Intelligenz leitete, sagte, es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer dieser Größenordnung gebaut habe. Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT und nicht an IBMs Forschung beteiligt, sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Störungen zu beheben. Die Ankündigung sei aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Als Googles Arbeit auftauchte, argumentierte IBMs Dario Gil, damals Leiter von IBM Research, grundsätzlich dagegen, Quantenüberlegenheit als Maßstab zu verwenden. „Das Experiment und der Begriff ,Überlegenheit‘ werden von fast allen missverstanden werden“, sagte er zu Fortune. Er beschrieb die Arbeit als höchst speziellen Laborversuch ohne praktische Anwendungen. „Quantencomputer werden niemals ,überlegen‘ über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten, da jeder seine eigenen Stärken hat.“

Bestätigt in Nature, und was das nicht bedeutete

Am 23. Oktober 2019 bestätigte Googles Blog, dass Nature das Ergebnis in seiner Ausgabe zum 150-jährigen Bestehen veröffentlicht hatte. Der Blog beschrieb die Testrechnung mit 200 Sekunden und wiederholte, dass die besten bekannten Algorithmen auf den leistungsfähigsten Supercomputern Tausende Jahre bräuchten. Er rahmte sie als den „Hello World“-Moment ein, auf den das Feld gewartet habe. Er stellte auch klar, dass zwischen Laborexperimenten und praktischen Anwendungen ein weiter Weg liegt und dass es viele Jahre dauern wird, bis eine breitere Palette realer Anwendungen umgesetzt werden kann.

Googles eigene Forscher hatten in der Arbeit Ähnliches angemerkt. „Wir sind nur einen kreativen Algorithmus von wertvollen kurzfristigen Anwendungen entfernt“, schrieben sie. Der Blog nannte eine 13-jährige Anstrengung: Hartmut Neven begann 2006, Quantencomputing für maschinelles Lernen zu erkunden, Martinis und sein Team aus Santa Barbara stießen 2014 dazu, und Sergio Boixo veröffentlichte zwei Jahre später eine Arbeit, die die Anstrengung auf die wohldefinierte Rechenaufgabe der Quantenüberlegenheit ausrichtete.

Forscher von außen trennten den Meilenstein schon damals vom Marketing. Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Quantencomputing-Start-ups IonQ, sagte 2017 zu MIT Technology Review, was das Gelingen des Experiments bedeuten würde: „Es wird ein akademischer Meilenstein sein. Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht.“ Jim Clarke, bei Intel Labs für Quantenhardware zuständig, nannte Googles Neuerung von 2019 „einen bemerkenswerten Meilenstein“. Ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere zuvor viele Fortschritte in Forschung und Entwicklung, sagte er. „Die Entwicklung steht noch bei Meile eins dieses Marathons, aber wir glauben fest an das Potenzial dieser Technologie.“

Die Einschränkung, die dabei meist verloren geht, ist der Maßstab. Quantenprozessoren müssten viel größer als 50 Qubits sein, um nützliche Arbeit leisten zu können, merkte MIT Technology Review an. Das Experiment zur Überlegenheit war gerade deshalb schwer für eine klassische Maschine, weil es kein nützliches industrielles Problem ist. Es tastete zufällig erzeugte Zahlen über ein spezialisiertes Szenario mit Quantenphänomenen ab und berechnete die Ausgabe bestimmter spezialisierter Schaltungen. Es löste nichts, was ein Unternehmen gelöst haben will.

Deshalb hielt IBM an einem anderen Maßstab fest. Bis März 2019, berichtete ZDNET, umriss IBM sein bis dahin höchstes Quantum Volume. Diese Leistungskennzahl verbindet Qubit-Zahl, Konnektivität, Kohärenzzeit, Fehler bei Gattern und Messungen, Übersprechen der Bauteile und die Effizienz des Compilers für die Schaltungssoftware. IBM sagte, sein Q System One mit einem 20-Qubit-Prozessor erreiche ein Quantum Volume von 16, doppelt so viel wie das damalige IBM Q mit 8. Das Unternehmen erklärte, Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts Quantum Advantage zu erreichen. Das ist der Punkt, an dem Quantenanwendungen deutliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bringen. Seit 2017 hatte IBM die Leistung seiner Quantencomputer jährlich verdoppelt.

Googles Deutung des Moments war großartiger. Der Blog verglich ihn mit dem Bau der ersten Rakete, die die Erdanziehung verließ und den Rand des Weltraums berührte, und mit den Fragen, die danach aufkamen, warum man überhaupt dorthin fliegen sollte. „Es zeigte uns, was möglich war, und rückte das scheinbar Unmögliche ins Blickfeld“, hieß es. Die Autoren der Arbeit gingen weiter und sagten voraus, die Rechenleistung von Quantencomputern werde mit doppelt exponentieller Rate wachsen. Damit übertreffe sie sogar die exponentielle Rate, die das Mooresche Gesetz definierte.

Der Vorbehalt der Begutachtung verschwand nie ganz aus der Geschichte, aber die Veröffentlichung in Nature klärte die Frage, ob das Ergebnis formell geprüft würde. Was sie nicht klärte, ist der Streit um das Wort. Googles eigener Blog nannte Quantenüberlegenheit einen Fachbegriff mit enger Bedeutung. IBMs Einwand war, dass die enge Bedeutung als weite gelesen würde, und diese Lesart begleitet das Feld seitdem.