Der Zeitplan für die Quantenüberlegenheit: Googles Ziel von 49 Qubits, IBMs Antwort mit 50

Google setzte sich selbst eine Frist. Bis Ende 2017, sagte John Martinis, werde sein Team ein Gerät bauen, das Quantenüberlegenheit erreicht, also eine Rechnung, die kein herkömmlicher Computer mehr schafft. Den Beweis soll ein Wettrennen zwischen Googles Chip und einem der größten Supercomputer der Welt liefern, berichtete MIT Technology Review am 21. April 2017.

Martinis leitet Googles Quantenforschungsgruppe und ist weiterhin Professor an der University of California in Santa Barbara. Er kam Ende 2014 zu Google, heißt es in demselben Bericht. „Wir glauben, dass wir bereit sind, dieses Experiment zu machen. Wir können es jetzt tun“, sagte er.

Das Selbstvertrauen stützt sich auf einen Chip mit sechs Qubits, angeordnet in zwei Reihen zu je drei. Google hat bereits Ergebnisse eines Chips mit neun Qubits vorgelegt, die in einer Linie lagen. Für das Überlegenheitsexperiment aber braucht Martinis nach eigenen Worten ein Raster aus 49 Qubits. Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits sind bereits in Arbeit. Der Chip mit sechs Qubits testet zudem ein Fertigungsverfahren, bei dem die Qubits und ihre herkömmliche Steuerungsverdrahtung auf getrennten Chips entstehen und später über Bump-Bonding verbunden werden.

„Dieser Prozess funktioniert vollständig“, sagte Martinis. „Jetzt sind wir bereit, sozusagen schnell voranzukommen.“

Martinis zeigte Bilder des Chips auf der Konferenz IEEE TechIgnite in Burlingame in Kalifornien, technische Details hat seine Gruppe aber noch nicht offiziell veröffentlicht, schrieb MIT Technology Review. Googles Team von rund 25 Mitarbeitern ist eine von mehreren industriellen Forschungsgruppen, die in jüngster Zeit gegründet oder ausgebaut wurden. Im Rennen sind Intel, Microsoft, IBM und Start-ups.

Simon Gustavsson, leitender Wissenschaftler einer Quantencomputing-Gruppe am MIT, sagte der Publikation, Google gehöre zu den führenden Akteuren. „Google und IBM sind ziemlich vergleichbar“, sagte er.

Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Start-ups IonQ, äußerte sich zurückhaltender dazu, was der Meilenstein bedeuten würde. „Es wird ein akademischer Meilenstein sein“, sagte er. „Danach muss man immer noch herausfinden, wie man das Ganze skalierbarer und programmierbarer macht.“ Martinis stimmt zu, dass noch viel zu tun bleibt, argumentiert aber, das Experiment könne zum Maßstab für jeden werden, der einen funktionierenden Quantencomputer beansprucht.

Bei der Zahl war IBM zuerst dran. Am 10. November 2017 teilte das Unternehmen mit, seine Wissenschaftler hätten einen Prozessorprototyp mit 50 Qubits gebaut und vermessen, meldete die Associated Press. Dario Gil, der die Forschung zu Quantencomputing und künstlicher Intelligenz bei IBM leitet, sagte, es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer in dieser Größenordnung gebaut habe.

Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT und nicht an IBMs Forschung beteiligt, sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Störungen auszuräumen, nannte die Ankündigung zu den 50 Qubits aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Einen Monat später verschob sich der Schwerpunkt von der Zahl der Qubits auf ihre Qualität. „Pressemitteilungen sprechen beim Quanten-Wettrennen immer von der Anzahl der Qubits“, sagte Martinis auf der Konferenz Q2B im NASA Ames Research Center, berichtete Gizmodo. „Es geht um Quantität und Qubit-Qualität, nicht nur um Quantität.“

Gizmodo berichtete am 8. Dezember 2017, Google fertige damals sein Überlegenheitsgerät mit 49 oder 50 Qubits und werde in zwei Wochen mit den Tests beginnen, Verzögerungen durch die Weihnachtsferien nicht eingerechnet. Die Testaufgabe verlangt, Qubits zu verschränken, das System sich entwickeln zu lassen und dann Ergebnisse zu messen, deren Wahrscheinlichkeiten so komplex sind, dass eine klassische Maschine den Quantencomputer simulieren muss, um sie zu prüfen. Eine solche Simulation könnte Wochen brauchen für das, was der Quantencomputer in Minuten erledigt.

Nicht alle sehen den Begriff als geklärt an. Dario Gil von IBM riet später davon ab, Quantenüberlegenheit als Fortschrittsmaßstab zu verwenden. „Das Experiment und der Begriff der ‚Überlegenheit‘ werden von fast allen missverstanden werden“, sagte er zu Fortune und beschrieb es als Laborexperiment ohne praktische Anwendungen. „Quantencomputer werden nie ‚überlegen‘ über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten, weil beide ihre eigenen Stärken haben.“

Jim Clarke, bei Intel Labs für Quantenhardware zuständig, nannte Googles Neuigkeit einen bemerkenswerten Meilenstein und sagte, ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere noch viele Fortschritte in Forschung und Entwicklung. „Die Entwicklung steht noch bei Meile eins dieses Marathons, aber wir glauben fest an das Potenzial dieser Technologie“, sagte er.

Googles Paper, das Fortune erhielt, nachdem es auf NASA.gov erschienen und wieder entfernt worden war, nannte für den Prozessor Sycamore 53 Qubits, zurückgestuft von einem Gerät namens Bristlecone mit 72 Qubits. Die Forscher schrieben, ihr Prozessor habe etwa 200 Sekunden gebraucht, um eine Instanz eines Quantenschaltkreises 1.000.000 Mal abzutasten, während ein moderner Supercomputer für die gleiche Aufgabe ungefähr 10.000 Jahre benötigen würde.

Ein Sprecher von Google wollte die Echtheit des Papers nicht bestätigen, und die NASA antwortete nicht umgehend auf eine Anfrage nach einer Stellungnahme. Eine Quelle bei Google äußerte die Vermutung, die NASA habe es vorzeitig veröffentlicht, bevor es die Begutachtung durch Fachkollegen durchlaufen hatte. Bei allen Behauptungen beschreibt die Sprache des Feldes selbst, die von John Preskill vom Caltech geprägte NISQ-Ära rauschbehafteter Quantencomputer mittlerer Größe, weiterhin die Hardware, die auf dem Tisch liegt. Insgesamt summiert sich der Aufwand der Branche auf rund 2.000.000.000 Dollar an Forschungsgeldern, die in diese Generation fließen.