Quantenüberlegenheit erklärt: wie Google und IBM um einen umstrittenen Meilenstein wetteiferten

Google behauptet, die „Quantenüberlegenheit“ erreicht zu haben. Die Behauptung steht in einer wissenschaftlichen Arbeit und ist der bislang ernsthafteste Hinweis darauf, dass Quantencomputer klassische Maschinen bei einer bestimmten Aufgabe schlagen können. Fortune berichtete am 20. September 2019 darüber. Das Experiment war kein Durchbruch für universelle Anwendungen. Es war eine Vorführung, und eine eng begrenzte, aber eine Vorführung, die seit Jahren versprochen worden war.

Die Zahlen sind die Geschichte. Googles Prozessor Sycamore enthielt 53 Qubits. Das Team war von einem 72-Qubit-Gerät namens Bristlecone abgerückt, das es zuvor entworfen hatte. Im Experiment tastete die Quantenmaschine zufällig erzeugte Zahlen ab, die über ein spezialisiertes Szenario mit Quantenphänomenen entstanden. Die Forscher gaben an, ihr Prozessor habe etwa 200 Sekunden gebraucht, um eine Instanz des Quantenschaltkreises 1.000.000 Mal abzutasten. Ein modernster Supercomputer, so ihre Schätzung, bräuchte ungefähr 10.000 Jahre für die entsprechende Aufgabe. Dasselbe Experiment auf einem Google-Cloud-Server würde nach Einschätzung der Forscher 50.000.000.000.000 Stunden dauern.

Eine Arbeit, die vor der Peer-Review durchsickerte

Fortune erhielt eine Kopie der Arbeit. Sie war früher in dieser Woche auf NASA.gov veröffentlicht und dann wieder entfernt worden. Die Financial Times berichtete zuerst darüber. Ein Google-Sprecher lehnte es ab, die Echtheit der Arbeit und ihrer Ergebnisse zu bestätigen. Die NASA antwortete nicht sofort auf eine Anfrage nach einer Stellungnahme.

Eine mit der Situation vertraute Quelle bei Google legte nahe, dass die NASA die Arbeit versehentlich zu früh veröffentlichte. Die Behauptungen des Teams konnten damit noch nicht gründlich durch wissenschaftliche Peer-Review geprüft werden, ein Verfahren, das Wochen bis Monate dauern kann. Dieses Detail ist wichtig. Als die Geschichte bekannt wurde, sah die Öffentlichkeit einen Meilenstein, bevor Wissenschaftler die Prüfung abgeschlossen hatten.

„Quantenbeschleunigung ist in einem realen System erreichbar und wird durch keine verborgenen physikalischen Gesetze ausgeschlossen“, schrieben die Google-Forscher.

Die Arbeit sagte außerdem voraus, dass die Rechenleistung von Quantencomputern „mit doppelt exponentieller Rate wachsen“ werde. Damit übertreffe sie sogar die exponentielle Rate, die das Mooresche Gesetz definierte, jenen Trend, nach dem sich die traditionelle Rechenleistung etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Die Forscher schrieben, dass Quantenprozessoren auf Basis supraleitender Qubits heute Berechnungen ausführen können, die für die schnellsten verfügbaren klassischen Supercomputer außer Reichweite liegen. „Nach unserem Wissen ist dieses Experiment die erste Berechnung, die nur auf einem Quantenprozessor ausgeführt werden kann“, schrieben sie.

Der Weg zu 53 Qubits

Der Meilenstein entstand nicht aus dem Nichts. Im April 2017 berichtete MIT Technology Review, dass John Martinis sich nur wenige Monate Zeit gegeben hatte, um einen Meilenstein in der Geschichte der Datenverarbeitung zu erreichen. Martinis leitete Googles Quantenforschungsgruppe. Bis Ende jenes Jahres, so Martinis, werde sein Team ein Gerät bauen, das Quantenüberlegenheit erreiche. Ein Grund für sein Vertrauen war ein neuer Chip mit sechs Qubits in einer Zwei-mal-drei-Anordnung. Er zeigte laut Martinis, dass die Technologie noch funktionierte, wenn Qubits nebeneinander lagen. Der Sechs-Qubit-Chip testete zudem ein Fertigungsverfahren. Dabei werden Qubits und die konventionelle Verdrahtung, die sie steuert, auf getrennten Chips hergestellt und später per Bump-Bonding verbunden.

Damals hatte Google Ergebnisse eines Chips mit neun Qubits in einer Reihe veröffentlicht. Martinis sagte, er brauche ein Gitter aus 49 Qubits für das Überlegenheitsexperiment. Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits seien bereits in Arbeit. Er sprach über die Arbeit auf der IEEE TechIgnite-Konferenz in Burlingame, Kalifornien, doch die Gruppe hatte technische Details noch nicht formell offengelegt.

Google war nicht allein. Im Rennen um die Entwicklung von Quantenprozessoren waren Intel, Microsoft und IBM dabei, dazu Start-ups. Simon Gustavsson, leitender Forscher in einer Quantencomputing-Forschungsgruppe am MIT, sagte MIT Technology Review, Google sei einer der führenden. „Es ist ziemlich vergleichbar zwischen Google und IBM“, sagte er. Chris Monroe, Professor an der University of Maryland und Mitgründer des Quantencomputing-Start-ups IonQ, nannte das Überlegenheitsexperiment „einen akademischen Meilenstein“. „Danach muss man immer noch herausfinden, wie man es skalierbarer und programmierbarer macht“, sagte er.

IBMs Gegenschlag

IBM hatte seine eigene Ankündigung. Am 10. November 2017 berichtete die Associated Press, dass IBM-Wissenschaftler erfolgreich einen Prozessorprototypen mit 50 Qubits gebaut und vermessen hatten. Dario Gil leitete IBMs Forschungsabteilung für Quantencomputing und künstliche Intelligenz. Er sagte, es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer dieser Größe gebaut habe. Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT und nicht an IBMs Forschung beteiligt, sagte, IBM habe wahrscheinlich noch Fehler zu beheben. Die 50-Qubit-Ankündigung sei aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Bis März 2019 sprach IBM über eine andere Kennzahl. ZDNET berichtete, IBM werde auf der March Meeting der American Physical Society sein bis dahin höchstes Quantum Volume vorstellen. Das Quantum Volume ist eine Leistungskennzahl. Sie berücksichtigt die Anzahl der Qubits, die Konnektivität und die Kohärenzzeit, dazu Gate- und Messfehler, Übersprechen zwischen Bauteilen und die Effizienz des Compilers für die Schaltkreissoftware. IBM sagte, sein Q System One mit einem 20-Qubit-Prozessor erziele ein Quantum Volume von 16, doppelt so viel wie das aktuelle IBM Q mit einem Quantum Volume von 8. IBM sagte außerdem, das Q System One habe einige der niedrigsten von ihm gemessenen Fehlerraten.

IBM erklärte, das Quantum Volume müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts den Quantum Advantage zu erreichen. Das ist der Punkt, an dem Quantenanwendungen bedeutende Vorteile gegenüber klassischen Computern bieten. IBM hat die Leistung seiner Quantencomputer seit 2017 jährlich verdoppelt. 2016 stellte es seine Quantencomputing-Technologie über einen Cloud-Dienst bereit.

Was der Meilenstein nicht bedeutet

Die Skeptiker waren bereit. Dario Gil, Leiter von IBM Research, riet davon ab, Quantenüberlegenheit als Kennzahl für den Fortschritt des Feldes zu verwenden. „Das Experiment und der Begriff ‚Überlegenheit‘ werden von fast allen missverstanden werden“, sagte er zu Fortune. Gil beschrieb das Experiment als einen höchst speziellen „Laborversuch“, der „keine praktischen Anwendungen“ habe. Er fügte hinzu: „Quantencomputer werden niemals ‚überlegen‘ über klassische Computer herrschen, sondern mit ihnen zusammenwirken, da jeder seine eigenen Stärken hat.“

Jim Clarke, Direktor für Quantenhardware bei Intel Labs, nannte Googles Neuigkeit „einen bemerkenswerten Meilenstein“. Er sagte, ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer erfordere viele Fortschritte in Forschung und Entwicklung, bevor er Wirklichkeit werde. „Obwohl die Entwicklung noch bei Meile eins dieses Marathons steht, glauben wir fest an das Potenzial dieser Technologie“, fügte Clarke hinzu.

Google selbst formulierte das Ergebnis vorsichtig. In einem am 23. Oktober 2019 veröffentlichten Blogbeitrag bezeichnete das Unternehmen den Meilenstein als den „Hallo-Welt“-Moment, auf den es gewartet habe. Nature hatte die Arbeit zuvor in seiner 150. Jubiläumsausgabe gebracht. Viele Jahre würden aber vergehen, bevor eine breitere Palette realer Anwendungen umgesetzt werden könne. Der Blogbeitrag beschrieb eine 13-jährige Anstrengung. Sie begann 2006, als der Google-Wissenschaftler Hartmut Neven zu erkunden begann, wie Quantencomputing maschinelles Lernen beschleunigen könnte. John Martinis und sein Team an der University of California in Santa Barbara kamen 2014 dazu. Zwei Jahre später veröffentlichte Sergio Boixo eine Arbeit, die die Anstrengung auf die wohldefinierte Rechenaufgabe der Quantenüberlegenheit ausrichtete.

Google räumte auch die Grenzen ein. Quantencomputer sind fehleranfällig, doch das Experiment zeigte, dass sich eine Berechnung mit wenigen genug Fehlern in großer genug Größenordnung ausführen lässt, um einen klassischen Computer zu übertreffen. Der Blogbeitrag verglich den Moment mit dem Bau der ersten Rakete, die die Erdanziehungskraft verließ, um den Rand des Weltraums zu berühren. Damals fragten einige, warum man in den Weltraum fliegen sollte, ohne irgendwo Nützliches anzukommen.

Dieser Vergleich ist der ehrliche. Quantenüberlegenheit war ein Maßstab, kein Produkt. Sie zeigte, dass ein Quantenprozessor etwas leisten konnte, was eine klassische Maschine nicht konnte, für ein sorgfältig ausgewähltes Problem. Nützliche Arbeit, jene Art, die bessere Batterien oder billigeren Dünger entwerfen könnte, liegt laut Google und seinen Kritikern noch Jahre entfernt. Die anschließende Debatte drehte sich weniger darum, ob das Experiment funktionierte, als darum, was das Wort „Überlegenheit“ in der Schlagzeile zu suchen hatte.