Wer baut den kommerziellen Quantencomputer? Google verkündet „Quantenüberlegenheit“

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Sundar Pichai, Vorstandsvorsitzender von Google, steht im Labor in Santa Barbara neben einem der Quantencomputer von Google. Google ist nach eigenen Angaben ein bedeutender Schritt bei der Entwicklung von Quantencomputern gelungen. Mit Hilfe seines Prozessors Sycamore sei es möglich, eine Kalkulation in 200 Sekunden zu erledigen, für die der aktuell schnellste Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde.
Sundar Pichai, Vorstandsvorsitzender von Google, steht im Labor in Santa Barbara neben einem der Quantencomputer von Google. Google ist nach eigenen Angaben ein bedeutender Schritt bei der Entwicklung von Quantencomputern gelungen. Mit Hilfe seines Prozessors Sycamore sei es möglich, eine Kalkulation in 200 Sekunden zu erledigen, für die der aktuell schnellste Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde. (Bild: Google)

Seit Wochen kursierten Gerüchte: Zum ersten Mal soll ein Quantencomputer eine Aufgabe erledigt haben, an der herkömmliche Rechner scheitern würden. Das behauptet zumindest Google in einem im Fachblatt „Nature“ veröffentlichten Artikel. Konkurrenten IBM und Intel bezweifeln allerdings das Resultat.

Google hat einen Durchbruch bei der Entwicklung von Quantencomputern erreicht – das behauptet das Unternehmen jedenfalls in einem seiner eigenen Fachartikel. Mit Hilfe seines Prozessors Sycamore sei es möglich, eine Kalkulation in 200 Sekunden zu erledigen, für die der aktuell schnellste Supercomputer 10.000 Jahre benötigen würde, schreiben die Forscher in einem am Mittwoch veröffentlichten Bericht in dem Wissenschafts-Journal „Nature“. Damit sei die Demonstration der „Quantenüberlegenheit“ erstmals gelungen.

„Quantenüberlegenheit“: Wenn Quantencomputer herkömmliche Rechner überholen

Der Physiker John Preskill hatte den Begriff der Quantenüberlegenheit 2012 in einer wissenschaftlichen Studie geprägt. Damit sei der Punkt gemeint, an dem ein Quantencomputer eine so komplexe Aufgabe löst, die von einem herkömmlichen Computer in angemessener Zeit nicht mehr bewältigt werden kann – also Dinge leisten kann, die ein herkömmliches System so in dieser Form nicht beherrscht. An dem Nachweis seien auch Forscher aus Jülich beteiligt gewesen, teilte das dortige Forschungszentrum am Mittwoch mit. Mit Hilfe von Simulationen seien die Ergebnisse verifiziert und die Leistung des Prozessors, der aus 53 funktionsfähigen Qubits besteht, bestimmt worden.

Bei dem von Google nun verkündeten Durchbruch ging es um das Erkennen und Analysieren hochkomplexer, zufällig generierter Muster, für das ein konventioneller Computer überfordert gewesen wäre. Die Studie beschreibt ein Berechnungsexperiment mit Hilfe eines 53-Qubit-Quantenprozessors von Google, der über eine „Zwei-Qubit-Gate-Quantenschaltung der Tiefe 20 verfügt“, mit insgesamt „430 Zwei-Qubit- und 1113 Ein-Qubit-Gattern“ und mit einer vorhergesagten Gesamtgenauigkeit von 0,2%. Die Simulationen der Quantenschaltungen wurden neben Googles Cloud-Servern und dem aktuell leistungsstärksten Supercomputer der Welt, Summit von IBM, auch der Jülicher Supercomputer Juwels genutzt.

Schon seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach neuen Wegen in der Computertechnik. Auch an der Entwicklung von Quantencomputern wird seit langem gearbeitet. Von ihnen erhoffen sich die Forscher, dass bestimmte Rechenaufgaben um ein Vielfaches schneller als mit klassischen Computern durchgeführt werden können. Während bei einem binären Computer die kleinsten Einheiten, Bits genannt, entweder den Zustand 0 oder 1 annehmen, folgen die „Qubits“ des Quantencomputers den Gesetzen der Quantenmechanik - sie können mehrere Zustände zur selben Zeit darstellen.

Dieses Paradox gilt selbst in der theoretischen Physik noch heute als Herausforderung. Google-Chef Sundar Pichai zitiert in seinem Blog-Eintrag auch den US-amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman: „Wenn man denkt, man versteht die Quantenmechanik, versteht man die Quantenmechanik nicht.“

Vor vier Wochen war der Fachbeitrag der Google-Forscher schon einmal aufgetaucht. Er war für kurze Zeit über die Websites der amerikanischen Weltraumbehörde NASA verfügbar gewesen, kurz darauf allerdings wieder verschwunden. Das hatte bereits für viel Gesprächsstoff unter Wissenschaftlern gesorgt.

Gegenwind von IBM: Verwendetes Rechenbeispiel nicht repräsentativ

Pichai gibt sich angesichts des möglicherweise erreichten Meilensteins bescheiden. Unterdessen spielt der US-amerikanische Technologie-Riese IBM - das selbst seit langem in der Quantencomputer-Forschung involviert ist und ebenfalls einen 53-Qubit-Prozessor entwickelt hat – den nun Erfolg deutlich herunter.

IBM Q System One, das „erste vollintegrierte Quantencomputer-System“, wurde im Januar 2019 erstmals vorgestellt – damals noch mit einem 49-Qubit-Prozessor ausgestattet. Laut IBM sei Google von der Quantenüberlegenheit noch viel weiter weg als behauptet – in ihrem Paper würden die Google-Forscher zahlreiche Fähigkeiten aktueller „klassischer“ Computersysteme herunterspielen oder ignorieren.
IBM Q System One, das „erste vollintegrierte Quantencomputer-System“, wurde im Januar 2019 erstmals vorgestellt – damals noch mit einem 49-Qubit-Prozessor ausgestattet. Laut IBM sei Google von der Quantenüberlegenheit noch viel weiter weg als behauptet – in ihrem Paper würden die Google-Forscher zahlreiche Fähigkeiten aktueller „klassischer“ Computersysteme herunterspielen oder ignorieren. (Bild: IBM Q System One / IBM Research / CC BY-ND 2.0)

IBM hatte Anfang des Jahres das nach eigener Aussage das weltweit erste voll integrierte Quantencomputer-System vorgestellt. Wie das unternehmen nun ausführt ginge Googles Studieh von falschen Voraussetzungen aus. Die gleiche Aufgabe sei mit einem klassischen System nach konservativer Einschätzung bereits in 2,5 Tagen lösbar, schreiben die Forscher im hauseigenen Research-Blog – und das noch dazu mit einer deutlich höheren Genauigkeit.

„[Googles] klassische Simulationsschätzung von 10.000 Jahren basiert auf der Beobachtung, dass der RAM-Speicherbedarf zur Speicherung des Vollzustandsvektors in einer Schrödinger-Simulation unerschwinglich wäre und man daher auf eine Schrödinger-Feynman-Simulation zurückgreifen müsse, die den Raum für Zeit tauscht,“ schreibt IBM in seiner Kritik. Mit anderen Worten: Klassische Systeme würden deutlich mehr Zeit für die von Google vorgegebene Berechnung benötigen, da der reine Arbeitsspeicher mit konventionellen Mitteln nicht ausreichen würde. Dabei würde das Unternehmen aber einige Fortschritte komplett außer Acht lassen, die moderne Computersysteme gerade im Feld der Speicheradressierung bereits beherrschen: „Klassische Computer verfügen jedoch über eigene Ressourcen wie eine Speicher-Hierarchie und hochpräzise Berechnungen in der Hardware, [gestützt von] verschiedenen Software-Assets und einer riesigen Wissensbasis von Algorithmen. Es ist wichtig, alle diese Fähigkeiten zu berücksichtigen, wenn man Quanten-[Systeme] mit klassischen vergleicht.“

Allein indem man schon die Fähigkeit zur Speicherauslagerung auf Festplatten ausnutze ließe sich die Berechnung des Vollzustandsvektors bereits erheblich beschleunigen. Unter diesem Aspekt wäre also Googles Behauptung, man hätte Quantenüberlegenheit erreicht, nach Preskill's Definition nicht zutreffend.

„Es ist ein Marathon, kein Sprint“

Ob es nun ein tatsächlicher Durchbruch ist, den Google erreicht haben mag, oder nicht: Letztlich dürfte Googles Studie die alltägliche Nutzung von Computern aktuell kaum beeinflussen. Vor allem deshalb nicht, weil die Maschinen wegen der erforderlichen tiefen Temperaturen und Vakuumzustände nicht auf handliche Geräte verkleinert werden können. Für die Wissenschaftler sei es zwar ein „Hallo Welt“-Moment, auf den sie gewartet hätten, schreibt auch Pichai. Aber zwischen den Laborergebnissen und praktischen Anwendungen von morgen liege noch ein langer Weg. „Es wird viele Jahre dauern, bis wir eine breitere Palette von realen Anwendungen implementieren können.“

Quantencomputer-Testchips von Intel mit 7 (links), 17 (Mitte) und 49 Qubits (rechts). Intel hatte auf der CES 2018 mit dem 49-Qubit-Prozessor „Tangle Lake” - nach eigener Aussage - ine neue Bestmarke im Quantencomputing vorgelegt. Intel gratuliere Google zwar zu seinem erfolgreichen jüngsten Sprint, Schrieb Intel-Labs-Direktor Rich Uhlig in einem offenen Statement. Aber der Weg zum Marathon-Ziel sei noch lang.
Quantencomputer-Testchips von Intel mit 7 (links), 17 (Mitte) und 49 Qubits (rechts). Intel hatte auf der CES 2018 mit dem 49-Qubit-Prozessor „Tangle Lake” - nach eigener Aussage - ine neue Bestmarke im Quantencomputing vorgelegt. Intel gratuliere Google zwar zu seinem erfolgreichen jüngsten Sprint, Schrieb Intel-Labs-Direktor Rich Uhlig in einem offenen Statement. Aber der Weg zum Marathon-Ziel sei noch lang. (Bild: Walden Kirsch/Intel Corporation)

Das sieht auch Intel, ein weiterer Konkurrent auf dem Weg zum kommerziell tauglichen Quantencomputer, ähnlich. Man gratuliere Google zwar zu seinen erreichten Ergebnissen, schreibt Richard Uhlig, Director der Intel Labs, in einem Pressestatement des Unternehmens.

Aber von der praktischen Anwendbarkeit eines Quantencomputers sei auch der Mitwettbewerber noch weit entfernt, woran auch die jüngst veröffentlichte Studie nichts ändere. 53-Qubit seien für ein wahrhaftig überlegenes, praktisch anwendbares System immer noch viel zu wenig. „Nach umfangreichen Simulationen schlägt unsere Forschung vor, dass es mindestens hunderte, wenn nicht gar tausende von Qubits brauchen wird, bis Quantencomputer in der Lage sein werden, praktische Probleme schneller zu lösen als Supercomputer,“ sagt Uhlig, der auf eine eigene in Nature veröffentlichte Studie aus dem Vorjahr verwies.

Bis es so weit ist, dürften noch mehrere Jahre vergehen, ehe die Technologie für einen Quantenprozessor dieser Größe ausgereift ist. Uhlig vergleicht den Stand der Forschung daher mit einem Marathonlauf: Googles Studie sei für einen kurzen Sprint durchaus beachtlich – aber mit Blick auf die volle Distanz, die noch zu bewältigen ist, seit das Ergebnis relativ unbedeutend. (mit Material von dpa, Google, IBM und Intel)

Originalveröffentlichung:

Frank Arute, Kunal Arya, […]John M. Martinis; https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5 in Nature Volume 574, 505–510 (2019).

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Hemmender Faktor waren schon immer die Finanziers, die schnelle Ergebnisse forderten und zu...  lesen
posted am 25.10.2019 um 16:40 von ktelektronik@gmx.de


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