Quantenüberlegenheit: Wie Google und IBM aus Qubit-Zahlen ein jahrzehntelanges Rennen machten

Google erklärte, die Quantenüberlegenheit erreicht zu haben. Gemeint ist der Moment, in dem ein Quantencomputer ein Problem löst, das für jede klassische Maschine praktisch unerreichbar ist. Die Arbeit des Unternehmens beschrieb einen Prozessor namens Sycamore mit 53 Qubits, also Quantenbits. Fortune hatte sie erhalten, nachdem sie kurz auf NASA.gov erschienen war.

Die Zahl allein war nicht der Punkt. Als Google seinen Anspruch im September 2019 öffentlich machte, hatte das Rennen bereits eine Reihe von Ankündigungen hervorgebracht, in denen es um Qubit-Zahlen, Verdrahtungstricks und Fehlerraten ging. Jede kam mit einem Vorbehalt. "Pressemitteilungen sprechen immer vom Quanten-Wettrennen in der Anzahl der Qubits", sagte John Martinis im Dezember 2017 auf der Q2B-Konferenz im NASA Ames. Martinis ist Physiker an der University of California, Santa Barbara, und leitete Googles Vorhaben. "Es geht um mehr als nur die Menge, es geht um die Qubit-Qualität."

Zwei Jahre zuvor ein Test mit sechs Qubits

MIT Technology Review berichtete im April 2017, Martinis habe sich einige Monate Zeit gegeben, um einen Meilenstein der Computergeschichte zu erreichen. Seine rund 25-köpfige Gruppe bei Google hatte einen Chip mit sechs Qubits gebaut, angeordnet in einem Raster von zwei mal drei. Das Layout war wichtig. Es war der erste Test dafür, ob die Qubits des Unternehmens noch funktionieren, wenn sie nebeneinander liegen, wie es in einem größeren Gerät nötig wäre.

Der Chip testete auch ein Fertigungsverfahren. Qubits und die konventionelle Verdrahtung, die sie steuert, entstehen dabei auf getrennten Chips und werden später über Bump-Bonding verbunden. Googles Team hatte sich auf diesen Ansatz konzentriert, seit die Gruppe etwas mehr als zwei Jahre zuvor gegründet worden war, so der Bericht. Ziel war es, zusätzliche Steuerleitungen zu beseitigen, die die Funktion der Qubits stören können. "Dieser Prozess funktioniert vollständig", sagte Martinis damals. "Jetzt sind wir bereit, sozusagen schnell voranzukommen."

Zu diesem Zeitpunkt hatte Google Quantencomputing mit neun Qubits in einer Linie gezeigt. Martinis sagte, er brauche ein Raster von 49 Qubits für das Überlegenheitsexperiment. Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits waren bereits in Arbeit.

IBM antwortet mit 50 Qubits

IBM war zuerst dran. Am 10. November 2017 berichtete die Associated Press, IBM-Wissenschaftler hätten einen Prozessorprototyp mit 50 Quantenbits gebaut und vermessen. Dario Gil, der die Forschungsabteilung von IBM für Quantencomputing und künstliche Intelligenz leitete, sagte, es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer in dieser Größenordnung gebaut habe. Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT, war nicht an der Forschung beteiligt. Er sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Störungen zu beheben, nannte die Ankündigung aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Googles Antwort kam einige Wochen später auf der Q2B-Konferenz. Martinis sagte, sein Team fertige in diesem Monat ein Überlegenheitsgerät mit 49 oder 50 Qubits und werde in zwei Wochen mit dem Testen beginnen, ohne Verzögerungen durch die Weihnachtsferien. Er beschrieb auch das Problem, das das Gerät lösen sollte. Das Team würde seine Qubits verschränken und das System sich über die Zeit entwickeln lassen, dann die Ergebnisse messen. Die Simulation dieser Ergebnisse auf einem klassischen Computer würde Wochen dauern, die Quantenmaschine könnte es in Minuten schaffen. Diese Lücke würde sowohl Größenordnung als auch Qubit-Qualität zeigen.

Nicht alle sahen in Qubit-Zahlen eine nützliche Anzeigetafel. "Es wird ein akademischer Meilenstein sein", sagte Chris Monroe zu MIT Technology Review. Monroe ist Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Quantencomputing-Startups IonQ. "Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht."

Der Anspruch von 2019 und der Widerspruch

Googles Arbeit zufolge brauchte sein Prozessor etwa 200 Sekunden, um eine Instanz eines Quantenschaltkreises eine Million Mal zu sampeln. Ein modernster Supercomputer hätte für die entsprechende Aufgabe ungefähr 10.000 Jahre gebraucht. Dasselbe Experiment auf einem Google-Cloud-Server würde 50 Billionen Stunden dauern, schätzten die Forscher. Auf dem Quantenprozessor dauerte es 30 Sekunden. "Nach unserem Wissen markiert dieses Experiment die erste Berechnung, die nur auf einem Quantenprozessor ausgeführt werden kann", schrieben sie.

IBMs Gil wies die Darstellung zurück. "Das Experiment und der Begriff 'Überlegenheit' werden von fast allen missverstanden werden", sagte er zu Fortune. Er beschrieb es als hochspezialisiertes Laborexperiment ohne praktische Anwendungen und sagte, Quantencomputer würden neben klassischen Maschinen arbeiten, nicht über ihnen herrschen. Jim Clarke, Direktor für Quantenhardware bei Intel Labs, nannte das Ergebnis einen bemerkenswerten Meilenstein und sagte, ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere viele weitere Fortschritte. "Während die Entwicklung noch bei Meile eins dieses Marathons steht, glauben wir fest an das Potenzial dieser Technologie", sagte er.

Googles eigener Blogbeitrag, veröffentlicht nachdem Nature das Ergebnis im Oktober 2019 brachte, mischte Feier und Vorsicht. Das Unternehmen verfolgte seine Quantenbemühungen bis 2006 zurück. Damals begann der Wissenschaftler Hartmut Neven zu erkunden, wie die Technologie maschinelles Lernen beschleunigen könnte. Martinis und sein Santa-Barbara-Team kamen 2014 dazu. Der Beitrag hieß, praktische Anwendungen lägen noch viele Jahre entfernt. Er schrieb auch einer erzwungenen Laborschließung während der Waldbrände in Südkalifornien im Oktober 2018 zu, dem Team nach einer Phase verlangsamten Fortschritts zu einem Neustart verholfen zu haben.

Die kommerziellen Zeitpläne blieben vage. Auf dem March Meeting der American Physical Society 2019 sagte IBM, sein Q System One mit einem 20-Qubit-Prozessor habe ein Quantum Volume von 16 erreicht, doppelt so viel wie die 8 seiner früheren IBM-Q-Maschine. Das Quantum Volume berücksichtigt Qubit-Anzahl, Konnektivität, Kohärenzzeit, Gate- und Messfehler, Übersprechen des Geräts und Compiler-Effizienz. IBM sagte, die Kennzahl müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts Quantum Advantage zu erreichen. Seit 2017 habe das Unternehmen die Leistung seiner Quantencomputer jährlich verdoppelt.

ZDNET berichtete, praktische, breite Anwendungsfälle seien noch Jahre entfernt. Und dort steht das Feld ungefähr. Ein Meilenstein, selbst ein echter, ist kein Produkt.