2019 eröffnete Google das Rennen um den Quantencomputer. Erstmals gab das Team des Google Quantum AI Lab im Fachblatt Nature bekannt, dass ein Quantenchip innerhalb von 200 Sekunden eine spezielle numerische Aufgabe gelöst hat, für die der weltbeste Supercomputer 10.000 Jahre gebraucht hätte. Zeitungen auf der ganzen Welt titelten damals „Google Beats Supercomputer“ und „Beweis der Quantenüberlegenheit“. “Spectrum” fragte auch: “Sputnik-Moment der Quantenphysik?” Jetzt haben chinesische Wissenschaftler die gleiche Berechnung in wenigen Stunden mit gewöhnlichen Prozessoren durchgeführt. Ein echter Supercomputer, schreiben sie in einem Artikel, der bereits auf dem ArXiv-Preprint-Server verfügbar ist und nun in „Physical Review Letters“ erscheint, könnte die Aufgabe sogar in Sekundenschnelle lösen und Googles Quantenchip „Sycamore“ locker übertreffen. Quantenüberlegenheit, auf Wiedersehen?
Die Versprechen der Technologie sind unzerbrechlich
Greg Kuperberg, ein Mathematiker an der University of California, sagte gegenüber Science, dass dieser neue Algorithmus Googles Behauptung zumindest einen Teil des Glanzes nimmt: „Es ist weniger aufregend, 300 Schritte von der Spitze entfernt zu sein, als tatsächlich an die Spitze zu gelangen.“ IBM-Forscher hatten bereits die Behauptung bestritten, dass ein Supercomputer 10.000 Jahre zum Rechnen brauchen würde. Beim Testen ihrer Berechnung hätten die Kollegen die Fähigkeiten des „Summit“-Supercomputers der Oak Ridge National Laboratories nicht richtig genutzt, schrieben sie. Allerdings sind die Autoren des Papiers auch direkte Konkurrenten von Googlern. Die Versprechen der Technik bleiben jedenfalls ungebrochen. Quantencomputing-Forschungsökosysteme entstehen auf der ganzen Welt. Startups schießen wie Pilze aus dem Boden, und Unternehmen wie Google und IBM konkurrieren darum, mehr Qubits auf einem Chip miteinander zu verbinden. Lediglich die Lösung eines „Problems“ im Zusammenhang mit der Praxis steht noch aus. Denn die Aufgabe, die Sycamore 2019 löste, war so konzipiert, dass die Lösung für einen herkömmlichen Computer extrem schwierig, für einen Quantencomputer aber möglichst einfach war. Einfach gesagt bestand der Test aus einer völlig nutzlosen Berechnung für komplexe Zufallszahlen. Google-Forscher ließen eine Schaltung aus gekoppelten Qubits, dem quantenmechanischen Äquivalent klassischer Bits, durch mehrere zufällig ausgewählte arithmetische Operationen laufen, wiederholten die Sequenz millionenfach und zeichneten die Ergebnisse auf. Zum Vergleich wurde das Ganze auf einem herkömmlichen Supercomputer simuliert. Da Qubits im Gegensatz zu den Bits eines gewöhnlichen Computers nicht nur die Zustände 0 und 1 annehmen können, sondern auch in einer Überlagerung dieser Zustände verbleiben können, ist mit den 53 Qubits des Sycamore-Chips eine parallele Darstellung von 253 Zuständen möglich. Unter der Annahme, dass zunächst alle Qubits auf 0 gesetzt wurden, ließen die Google-Forscher den Quantenchip viele Millionen Mal eine Zufallsfolge ausspucken und dabei jedes Mal 20 zufällige Rechenoperationen ausführen. Anschließend lesen sie den Zustand der Qubits aus. Im Allgemeinen fließen Quantenwellen, die zunächst alle möglichen Ergebnisse repräsentieren, zwischen Qubits hin und her. Interaktionen zwischen Qubits erzeugten Interferenzen, die einige Ergebnisse verbesserten und andere zunichte machten. Aus diesem Grund ist es wahrscheinlicher, dass einige Ergebnisse eintreten als andere. Wie wahrscheinlich eine einzelne Zahlenfolge ist, lässt sich erst nach unzähligen Durchläufen sagen. Schließlich wurde eine charakteristische Wahrscheinlichkeitsverteilung erhalten. Klassische Computer, die die Schaltung simulieren, müssen jede mögliche Abfolge von Rechenschritten akribisch ausprobieren. Mit zunehmender Anzahl der Qubits steigt der Aufwand ins Unermessliche. Die theoretisch vorhergesagte Grenze liegt bei etwa 48 Qubits. Für einen Quantencomputer hingegen bleibt die Rechenzeit überschaubar, weil er – einmal durch die Rechenoperationen gegangen – praktisch auf Knopfdruck ein einziges Zufallsergebnis liefern kann. “Googles Experiment hat getan, was es tun sollte, nämlich dieses Rennen zu starten” Chinesische Forscher um den theoretischen Physiker Pan Zhang haben ihre Arbeit aus dem Jahr 2019 nun als großes dreidimensionales Netzwerk sogenannter Tensoren präsentiert. Dieses Netzwerk besteht aus 20 Schichten – eine für jede Rechenoperation, die Sycamore damals durchlief. Und jede Ebene besteht aus 53 Punkten – einer für jedes der 53 Qubits. Der Simulationslauf beschränkte sich dann im Wesentlichen auf die Multiplikation aller Tensoren. Die Berechnung dauerte auf 512 GPUs 15 Stunden und ergab tatsächlich die erwartete Wahrscheinlichkeitsverteilung. Auf einem Supercomputer, schreiben Zhang und seine Kollegen, würde die Berechnung sogar einige zehn Sekunden dauern – zehn Milliarden Mal schneller als das Google-Team 2019 geschätzt hatte. Es war zu erwarten, dass die Forschung an klassischen Computern und die Suche nach besseren Algorithmen nicht aufhören würden. Es wäre jetzt wichtig, endlich praktische Anwendungen zu finden, um den Quantenvorteil zu demonstrieren. Oder wie Dominik Hangleiter, ein Quantenphysiker an der University of Maryland, gegenüber Science sagte: „Das Google-Experiment hat getan, was es tun sollte, nämlich dieses Rennen zu starten.“ Allerdings ist noch unklar, wer am Ende gewinnen und einen wirklich universellen Quantencomputer entwickeln wird.
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