Erklärt: Was ist Quantenüberlegenheit?

Die Quantenvorherrschaft ist ein seit langem angestrebter Meilenstein im Computing, und nun hat Google angekündigt, ihn erreicht zu haben. Ein Blick auf die Wissenschaft hinter dem Konzept und was wirklich erreicht wurde und wie viel übrig bleibt.

Eine Komponente von Googles Quantum Computer im Santa Barbara Lab, Kalifornien, USA. (Foto über Reuters)

Diese Woche gab Google bekannt, dass es einen Durchbruch namens . erreicht hat Quantenüberlegenheit beim Rechnen. Was bedeutet das und warum ist es wichtig?

Was ist also Quantenüberlegenheit?

Es ist ein Begriff, der 2012 von John Preskill, Professor für theoretische Physik am California Institute of Technology, vorgeschlagen wurde. Es beschreibt den Punkt, an dem Quantencomputer Dinge tun können, die klassische Computer nicht können. Im Fall von Google haben Forscher der University of California in Santa Barbara behauptet, einen Prozessor entwickelt zu haben, der 200 Sekunden brauchte, um eine Berechnung durchzuführen, die ein klassischer Computer 10.000 Jahre gebraucht hätte.

Aber was ist ein Quantencomputer?

Unsere traditionellen Computer arbeiten nach den Gesetzen der klassischen Physik, nämlich unter Ausnutzung des Stromflusses. Ein Quantencomputer hingegen versucht, die Gesetze auszunutzen, die das Verhalten von Atomen und subatomaren Teilchen bestimmen. Auf diesem winzigen Maßstab verlieren viele Gesetze der klassischen Physik ihre Gültigkeit und die einzigartigen Gesetze der Quantenphysik kommen ins Spiel.

Die Entwicklung eines solchen Computers ist seit fast vier Jahrzehnten ein Ziel von Wissenschaftlern. 1981 schrieb der Physiker Richard Feynman: Der Versuch, eine Computersimulation der Physik zu finden, scheint mir ein ausgezeichnetes Programm zu sein machen es quantenmechanisch, und bei Gott, es ist ein wunderbares Problem, weil es nicht so einfach aussieht.

Welchen Unterschied würde eine solche Simulation machen?

Es geht um die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Schauen wir uns an, wie ein klassischer Computer Informationen verarbeitet. Informationsbits werden entweder als 0 oder 1 gespeichert. Jede Folge solcher Ziffern (Bitfolgen) repräsentiert ein einzigartiges Zeichen oder eine Anweisung; 01100001 steht beispielsweise für den Kleinbuchstaben a.

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In einem Quantencomputer werden Informationen in Quantenbits oder Qubits gespeichert. Und ein Qubit kann gleichzeitig 0 und 1 sein. Die Quantenphysik beinhaltet Konzepte, die selbst Physiker als seltsam bezeichnen. Im Gegensatz zur klassischen Physik, bei der ein Objekt gleichzeitig an einem Ort existieren kann, untersucht die Quantenphysik die Wahrscheinlichkeiten, dass sich ein Objekt an verschiedenen Punkten befindet. Die Existenz in mehreren Zuständen wird als Superposition bezeichnet, und die Beziehungen zwischen diesen Zuständen werden als Verschränkung bezeichnet.

Je höher die Anzahl der Qubits, desto mehr Informationen sind darin gespeichert. Im Vergleich zu den Informationen, die in der gleichen Anzahl von Bits gespeichert sind, steigen die Informationen in Qubits exponentiell an. Das macht einen Quantencomputer so leistungsfähig. Und doch, wie Preskill von Caltech 2012 schrieb, ist der Bau zuverlässiger Quantenhardware eine Herausforderung, da es schwierig ist, Quantensysteme genau zu steuern.

Sundar Pichai mit einem der Quantencomputer von Google im Santa Barbara Lab, Kalifornien, USA. (Foto über Reuters)

Ist das das, was Google erreicht hat?

Die Forscher zeigten, wozu ein Quantencomputer fähig ist. Sie bauten mit Sycamore, dem Quantencomputer von Google, eine Architektur aus 54 Qubits. Während eines davon nicht funktionierte, waren die anderen 53 Qubits in einen Überlagerungszustand verschränkt.

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Das Team stellte eine zufällige Abfolge von etwa 1.000 Operationen zusammen. Jedes Mal, wenn sie dann diesen Zufallsalgorithmus ausführten, erzeugte der Quantencomputer eine Bitfolge.

Nun ist es wahrscheinlicher, dass einige Bitstrings auftreten als andere, und es ist möglich zu identifizieren, welche wahrscheinlicher sind. Je komplexer die Zufallsquantenschaltung jedoch ist, desto schwieriger ist es für einen klassischen Computer, die wahrscheinlicheren Bitstrings zu identifizieren – und die Schwierigkeit wuchs exponentiell. Die Vormachtstellung wurde erreicht, als sie demonstrierten, dass der Quantenprozessor nur 200 Sekunden brauchte, um einen superkomplexen Zufallsalgorithmus zu berechnen, während der schnellste Supercomputer 10.000 Jahre gebraucht hätte, sagte Google in einer E-Mail.

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Also, was nützt das?

Keine, was die praktische Anwendung betrifft. Die ausgeführte Aufgabe ist für diesen Meilenstein nicht besonders wichtig; es gehe vielmehr darum, dass der Meilenstein überhaupt passiert sei, hieß es in der E-Mail von Google. Als Analogie wurden die Gebrüder Wright zitiert: Um zu zeigen, dass das Fliegen möglich ist, war es nicht so wichtig, wohin das Flugzeug flog, wo es startete und landete, sondern dass es überhaupt fliegen konnte.

Sind alle überzeugt?

IBM hat die Behauptung von Google bestritten, dass seine Quantenberechnung nicht von einem herkömmlichen Computer durchgeführt werden könnte. In einem Blog-Beitrag behauptet IBM, dass die von den Google-Forschern beschriebene Berechnung von einem bestehenden Computer in weniger als zweieinhalb Tagen und nicht in 10.000 Jahren durchgeführt werden könnte.

Übrigens behauptete IBM selbst am Donnerstag einen Durchbruch bei der Quantenberechnung. Den Forschern gelang ein Durchbruch bei der Kontrolle des Quantenverhaltens einzelner Atome und demonstrierten einen vielseitigen neuen Baustein für die Quantenberechnung, sagte IBM auf seiner Website. Das Papier ist in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Die Forschung von Google erscheint in Nature.

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Was nun?

Die Wissenschaftler wollen ihre Arbeit verbessern, einschließlich der Erkennung und Behebung von Fehlern. Die University of California, Santa Barbara, stellte fest, dass die Forschung bereits ein sehr reales Werkzeug zur Generierung von Zufallszahlen entwickelt hat. Zufallszahlen können in einer Vielzahl von Bereichen nützlich sein – einschließlich des Schutzes verschlüsselter Schlüssel zur Entschlüsselung, die für Regierungen ein potenziell heikles Thema sein könnte.

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Quantencomputer könnten eines Tages zu enormen Fortschritten in der wissenschaftlichen Forschung und Technologie führen. Zu den gewinnbringenden Bereichen zählen künstliche Intelligenz und neue medikamentöse Therapien. All das ist jedoch noch weit entfernt.

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