Was als Meilenstein im Quantencomputing gilt, von 9 Qubits bis 53

Das Wort Meilenstein wird im Quantencomputing locker verwendet. Wer verstehen will, was eine Ankündigung tatsächlich zeigt, muss drei Dinge trennen: wie viele Qubits ein Gerät hat, wie gut diese Qubits sind und welche Aufgabe die Maschine lösen sollte.

Googles eigene Forscher trafen diese Unterscheidung früh. Im April 2017 sagte John Martinis, Leiter der Quantenhardware-Gruppe bei Google, gegenüber MIT Technology Review, sein Team habe einige Monate Zeit, um einen Meilenstein zu erreichen, den er Quantenüberlegenheit nannte: eine Berechnung jenseits der Reichweite jedes herkömmlichen Computers. Damals hatte Google einen Chip mit sechs Qubits gebaut, angeordnet in einem Raster von zwei mal drei. Der Test sollte zeigen, ob Qubits noch funktionieren, wenn man sie nebeneinander setzt, und ob ein Fertigungsverfahren taugt, das die Qubits über Bump-Bonds mit getrennten Steuerleitungen verbindet. Für das eigentliche Überlegenheitsexperiment brauche sein Team ein Raster von 49 Qubits, sagte Martinis. Entwürfe für Geräte mit 30 bis 50 Qubits seien bereits in Arbeit.

IBM antwortete im November. Dario Gil, damals Leiter der Forschungsabteilung von IBM für Quantencomputing und künstliche Intelligenz, sagte, das Unternehmen habe einen Prototyp eines 50-Qubit-Prozessors gebaut und vermessen. Es sei das erste Mal, dass ein Unternehmen einen Quantencomputer in dieser Größenordnung gebaut habe, berichtete die Associated Press. Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT und nicht an der Arbeit beteiligt, sagte der AP, es dürften noch Störungen vorhanden sein, nannte die Ankündigung aber ein Zeichen erheblichen Fortschritts.

Die Qubit-Zahl ist nicht die ganze Geschichte

Im Dezember 2017 wehrte sich Martinis gegen die Art, wie über das Rennen berichtet wurde. Auf der Q2B-Konferenz im NASA Ames Research Center, über die Gizmodo berichtete, sagte er, Pressemitteilungen sprächen immer über das Quantenrennen in Zahlen von Qubits. Die Qualität der Qubits sei ebenso wichtig wie die Menge. Google fertige damals sein Überlegenheitsgerät mit 49 oder 50 Qubits, die Tests sollten innerhalb von zwei Wochen beginnen. Die Konferenz zog Vertreter von Volkswagen, Airbus, Citibank, Emerson und Atos an, dazu Risikokapitalfirmen. Alle hörten Vorträge über Optimierung und maschinelles Lernen. Der Caltech-Theoretiker John Preskill nutzte die Veranstaltung, um die gegenwärtige Phase als NISQ-Ära zu beschreiben, für Noisy, Intermediate-Scale quantum computers.

IBM argumentierte später, die Branche brauche eine bessere Anzeigetafel als reine Qubit-Zahlen. Auf der March Meeting der American Physical Society 2019 teilte IBM laut ZDNET mit, sein Q System One, ein Prozessor mit 20 Qubits, habe ein Quantum Volume von 16 erreicht. Das ist doppelt so viel wie das Quantum Volume von 8, das sein vorheriges IBM-Q-System erreicht hatte. Das Quantum Volume ist eine zusammengesetzte Kennzahl. Sie deckt Qubit-Zahl, Konnektivität und Kohärenzzeit ab und berücksichtigt zugleich Gatter- und Messfehler, Übersprechen zwischen den Bauteilen und die Effizienz des Compilers. IBM sagte, der Wert müsse sich jedes Jahr verdoppeln, um innerhalb des nächsten Jahrzehnts den Quantum Advantage zu erreichen. Das ist der Punkt, an dem Quantenanwendungen deutliche Vorteile gegenüber klassischen Computern bringen.

Dann kam die Überlegenheitsbehauptung selbst. Fortune erhielt eine Kopie eines Google-Artikels, der auf NASA.gov veröffentlicht und dann wieder entfernt worden war. Die Zeitschrift berichtete am 20. September 2019, das Unternehmen habe erklärt, sein Sycamore-Prozessor mit 53 Qubits habe eine Abtastaufgabe in rund 200 Sekunden erledigt, für die ein Supercomputer auf dem neuesten Stand ungefähr 10.000 Jahre brauche. Eine Quelle bei Google sagte Fortune, die NASA habe den Artikel zu früh veröffentlicht, vor der Begutachtung durch Fachleute. Google wollte die Echtheit des Artikels damals nicht bestätigen.

Nicht alle akzeptierten die Darstellung. Dario Gil, inzwischen Leiter von IBM Research, sagte Fortune, das Experiment sei ein sehr spezieller Laborversuch ohne praktische Anwendungen. Quantencomputer würden mit klassischen Maschinen zusammenarbeiten, statt über sie zu herrschen. Jim Clarke, bei Intel Labs für Quantenhardware zuständig, nannte es einen bemerkenswerten Meilenstein und sagte, ein kommerziell nutzbarer Quantencomputer brauche noch viele weitere Fortschritte in Forschung und Entwicklung.

Nature veröffentlichte die Arbeit im Oktober 2019. Googles eigener Blogbeitrag beschrieb das Ergebnis von 200 Sekunden als den Hello-World-Moment, auf den die Branche gewartet habe. Er merkte an, dass es 13 Jahre gedauert habe, dorthin zu kommen, angefangen mit Hartmut Nevens Erkundung des Quantencomputings für maschinelles Lernen im Jahr 2006. Derselbe Beitrag war deutlich über die Grenzen: Es werde viele Jahre dauern, bis eine breitere Palette realer Anwendungen umgesetzt werden könne. Martinis hatte 2017 Ähnliches gesagt: Das Experiment werde ein akademischer Meilenstein sein, und Quantenprozessoren müssten weit größer als 50 Qubits sein, um nützliche Arbeit zu leisten.