Quantenüberlegenheit: was Google, IBM und das Qubit-Rennen wirklich versprachen

Im April 2017 setzte sich John Martinis eine Frist. Der Leiter von Googles Quantenforschungsgruppe sagte MIT Technology Review, sein Team werde bis Ende des Jahres ein Gerät bauen, das "Quantenüberlegenheit" erreicht. Gemeint war eine bestimmte Rechnung, die kein herkömmlicher Computer bewältigen kann.

"Wir glauben, dass wir bereit sind, dieses Experiment zu machen. Wir können es jetzt tun", sagte Martinis zu MIT Technology Review. Den Beweis sollte ein Wettrennen liefern, zwischen Googles Chip und einem der größten Supercomputer der Welt.

Das war die Ankündigung. Es folgten zweieinhalb Jahre Fertigung, Tests, durchgesickerte Manuskripte und öffentliche Skepsis darüber, was dieser Meilenstein tatsächlich maß.

Was ein Qubit ist und warum aus neun 49 wurden

Quantenchips speichern Daten in Qubits. Diese Bauteile kürzen manche schwierigen Rechnungen ab, indem sie die Quantenmechanik nutzen. Ein herkömmliches Bit ist entweder 0 oder 1. Ein Qubit kann beides gleichzeitig sein, in einer Superposition. Bei bestimmten Problemen verarbeitet eine Maschine damit viele Zustände gleichzeitig.

Das ist die Theorie. Die Technik ist schwieriger. Das EE Journal erklärte 2014 in einem Beitrag über den Ansatz der University of California, Santa Barbara: Quantenoperationen laufen darauf hinaus, Rotationen auf Gruppen verschränkter Qubits anzuwenden. Die Messung lässt die Superposition zu einem Ergebnis zusammenfallen, das nicht das richtige sein muss. Zuverlässigkeit ist keine Nebensache. Der Artikel hält fest, dass die unkorrigierte Zuverlässigkeit über 99% liegen muss, bevor die Fehlerkorrektur den Rest übernehmen kann. Die Qubits der UCSB, Transmons genannt, arbeiteten bei etwa 30 Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt.

Googles Chipfamilie wuchs öffentlich. Im April 2017 hatte das Unternehmen Ergebnisse eines Neun-Qubit-Chips veröffentlicht, der in einer Linie angeordnet war. Martinis sagte, er brauche ein Gitter aus 49 Qubits für das Überlegenheitsexperiment. Das damals neueste Gerät hatte nur sechs Qubits, aber in einer Zwei-mal-drei-Anordnung. So konnte das Team prüfen, ob seine Technik noch funktioniert, wenn Qubits nebeneinander liegen. Getestet wurde auch ein Fertigungsverfahren, bei dem Qubits und ihre Steuerleitungen auf getrennten Chips gebaut und später über Bump-Bonding verbunden werden. Dieser Ansatz soll die zusätzlichen Steuerleitungen beseitigen, die die Qubit-Funktion stören.

"Dieser Prozess funktioniert vollständig", sagte Martinis zu MIT Technology Review. "Jetzt sind wir bereit, sozusagen schnell voranzukommen."

Google war nicht allein. Der Beitrag von MIT Technology Review nennt Intel, Microsoft, IBM und Start-ups unter denen, die um Quantenprozessoren wetteifern. Simon Gustavsson, Quantencomputer-Forscher am MIT, sagte der Publikation, Google und IBM seien "ziemlich vergleichbar". Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Start-ups IonQ, war deutlicher über den Wert des Ziels: "Es wird ein akademischer Meilenstein sein. Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht."

IBM antwortet mit 50 Qubits

Bis November 2017 beanspruchte IBM den Größerekord. Dario Gil leitete damals die Quantencomputer- und KI-Forschung von IBM. Am Freitag, dem 10. November, sagte er, die Wissenschaftler des Unternehmens hätten erfolgreich einen Prozessorprototyp mit 50 Qubits gebaut und vermessen. Das berichtete die Associated Press über The Seattle Times.

Gil 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 IBMs Forschung beteiligt. Er sagte der AP, IBM habe wahrscheinlich noch Fehler zu beheben, doch die Ankündigung mit 50 Qubits sei ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Im Dezember 2017 fand im NASA Ames Research Center eine Konferenz zu Quantencomputern für Unternehmen statt, über die Gizmodo berichtete. Dort wehrte sich Martinis gegen das Zählen von Qubits als Punktestand. "Pressemitteilungen sprechen immer vom Quanten-Wettrennen in der Zahl der Qubits", sagte er. "Es ist mehr als nur Quantität, es ist Qubit-Qualität."

Gizmodo berichtete, Google fertige in jenem Monat sein Überlegenheitsgerät mit 49 oder 50 Qubits und werde zwei Wochen später mit dem Test beginnen, Weihnachtsferien vorausgesetzt. Martinis beschrieb, was das Experiment umfassen würde: Qubits verschränken, das System sich entwickeln lassen und Ergebnisse messen. Deren Wahrscheinlichkeitsverteilung ist so komplex, dass eine klassische Maschine den Quantencomputer simulieren müsste, um sie zu prüfen. Eine solche Simulation könnte Wochen brauchen für das, was der Quantencomputer in Minuten schafft.

Qualität bedeutete Qubits, die nicht den falschen Wert liefern und nicht durch Wechselwirkung mit der Umgebung zu gewöhnlichen Bits zerfallen. Der Caltech-Theoretiker John Preskill nannte auf derselben Konferenz die gegenwärtige Phase die NISQ-Ära, für Noisy, Intermediate-Scale quantum computer. Er sagte, der Fortschritt zu einer fehlertoleranten Maschine müsse weitergehen.

Die Behauptung von 200 Sekunden

Das Ergebnis kam im September 2019, allerdings nicht so, wie Google es geplant hatte. Fortune berichtete am 20. September, man habe eine Kopie von Googles Manuskript erhalten. Es war früher in jener Woche auf NASA.gov veröffentlicht und dann wieder entfernt worden. Die Financial Times meldete die Nachricht zuerst. Ein Google-Sprecher wollte die Echtheit des Manuskripts nicht bestätigen, und die NASA antwortete zunächst nicht auf eine Anfrage, so Fortune.

Eine Quelle bei Google legte Fortune nahe, die NASA habe das Manuskript zu früh veröffentlicht, bevor die Behauptungen durch eine Begutachtung geprüft werden konnten. Ein solches Verfahren kann laut der Quelle Wochen bis Monate dauern.

Die zentralen Zahlen des Manuskripts, wie von Fortune berichtet: Googles Prozessor mit dem Namen Sycamore enthielt 53 Qubits, zurückgestuft von einem Gerät mit 72 Qubits namens Bristlecone, das das Team zuvor entworfen hatte. Das millionenfache Abtasten einer Instanz eines spezialisierten Quantenschaltkreises dauerte auf dem Prozessor etwa 200 Sekunden. Ein modernster Supercomputer bräuchte für die entsprechende Aufgabe ungefähr 10.000 Jahre, so die Forscher. Auf einem Google-Cloud-Server würde dasselbe Experiment schätzungsweise 50.000.000.000.000 Stunden dauern; auf dem Quantenprozessor dauerte es 30 Sekunden.

"Während unser Prozessor etwa 200 Sekunden braucht, um eine Instanz des Quantenschaltkreises 1.000.000 Mal abzutasten, würde ein modernster Supercomputer ungefähr 10.000 Jahre für die entsprechende Aufgabe benötigen."

Die Forscher schrieben, Quantenprozessoren auf Basis supraleitender Qubits könnten nun Berechnungen ausführen, die für die schnellsten heute verfügbaren klassischen Supercomputer außer Reichweite liegen. Das Experiment sei die erste Berechnung, die nur auf einem Quantenprozessor ausgeführt werden könne. Sie sagten außerdem voraus, dass die Rechenleistung von Quantencomputern mit doppelt exponentiellem Tempo wachsen werde und damit die ungefähr zweijährige Verdopplung des Mooreschen Gesetzes übertreffe.

Der Widerspruch

IBMs Dario Gil, inzwischen Leiter von IBM Research, sagte zu Fortune, das Ergebnis dürfe nicht als Fortschrittsmaß dienen. "Das Experiment und der Begriff 'Überlegenheit' werden von fast allen missverstanden werden", sagte er. Er beschrieb es als hochspezialisierten Laborfall ohne praktische Anwendungen. "Quantencomputer werden niemals 'überlegen' über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten, da jeder seine eigenen Stärken hat."

Jim Clarke, bei Intel Labs für Quantenhardware zuständig, nannte die Aktualisierung "einen bemerkenswerten Meilenstein". Ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere noch viele weitere Fortschritte in Forschung und Entwicklung, sagte er. "Obwohl die Entwicklung erst bei Meile eins dieses Marathons steht, glauben wir fest an das Potenzial dieser Technologie."

IBM hatte seine eigene Art, Buch zu führen. Im März 2019, so berichtete ZDNET, legte IBM für sein Q System One mit einem 20-Qubit-Prozessor ein Quantum Volume von 16 fest. Das ist doppelt so viel wie das Quantum Volume von 8 für sein vorheriges IBM-Q-System. Quantum Volume verbindet Qubit-Anzahl, Konnektivität und Kohärenzzeit und berücksichtigt Gate- und Messfehler, Übersprechen der Bauteile und Compiler-Effizienz. IBM sagte, Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts Quantum Advantage zu erreichen. Das ist der Punkt, an dem Quantenanwendungen erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bringen.

Diese Einordnung, Qualität vor reiner Anzahl, ist die, die die Schlagzeilen von 2019 überdauert hat. Googles Manuskript rahmte das Ergebnis als Übergang des Quantencomputings von einem Forschungsthema zu einer Technologie, die neue Rechenmöglichkeiten eröffnet. Es ergänzte, das Feld sei "nur einen kreativen Algorithmus von wertvollen kurzfristigen Anwendungen entfernt".

Zusammen gelesen beschreiben die Rekorde von 2017 und 2019 einen Meilenstein, der real, eng begrenzt und stark umstritten war. Ein Chip mit 53 Qubits tastete einen Schaltkreis in 200 Sekunden ab, für den ein Supercomputer Jahrtausende bräuchte. Er führte kein nützliches Programm aus, und die Leute, die konkurrierende Maschinen bauten, sagten das zuerst.

Das Muster dürfte sich wiederholen. Google setzte die Frist im April 2017, IBM beanspruchte 50 Qubits im November 2017, und das Überlegenheitsmanuskript tauchte im September 2019 auf. Jede Ankündigung setzte die Debatte darüber neu an, welche Zahl Fortschritt bedeutet.