Sie haben es endlich geschafft. Nachdem die Forscher der Quantencomputer-Community jahrelang - nein Jahrzehnte - ihre Hoffnungen und Träume mit kaum praktischen Ergebnissen zum Ausdruck gebracht hatten, haben sie ein Versprechen abgegeben. Oder haben sie?
Letzte Woche wurde bekannt, dass Forscher von Google und anderen Institutionen ein Problem auf einem Quantencomputer gelöst hatten, das eine Milliarde Mal schneller war als ein klassischer Computer. Google hat nicht auf eine Anfrage nach Kommentaren geantwortet, aber laut einem Manuskriptentwurf, in dem das Experiment beschrieben wird, haben sie die "Quantenüberlegenheit" erkannt, eine Leistung, die "das Aufkommen eines mit Spannung erwarteten Rechenparadigmas ankündigt".
Die Reaktionen des Restes der Quantengemeinschaft waren jedoch ausgesprochen widersprüchlich. In einer E-Mail nennt der Physiker John Preskill von Caltech die Arbeit eine "wirklich beeindruckende Leistung in der experimentellen Physik". Der Mathematiker Ashley Montanaro von der Universität Bristol meint, dies sei ein "wirklich aufregender Moment". und auch, dass die Arbeit "nicht von praktischer Relevanz" ist. Dario Gil, der Forschungsdirektor bei IBM, bestreitet den Begriff der Quantenüberlegenheit selbst und nennt den Begriff "irreführend" in einer Aussage zu WIRED.
Also welches ist wahr? Hat das Google-Team gerade eine steile technologische Schwelle überwunden oder hat es ein weitgehend nutzloses Experiment durchgeführt, das sich mit cleverem Branding auseinandersetzt? Die Wahrheit liegt irgendwo dazwischen und fängt die konkurrierenden Spannungen in der Welt des Quantencomputers ein.
Einerseits ist es diesen Forschern gelungen, ein äußerst komplexes Experiment durchzuführen, das auf sorgfältigen mathematischen Beweisen und jahrelanger Hardwareentwicklung basiert - eine unbestreitbare Leistung. Das Experiment bringt sie jedoch nicht näher an die Geldverdienen-Anwendungen heran, die die Quantengemeinschaft versprochen hat, bei denen die einzigartigen Fähigkeiten des Computers zum Zerquetschen von Zahlen neue Moleküle für bessere Batterien, Medikamente und mehr bei Geschwindigkeiten enthüllen werden, die normale Computer beschämen würden. Es ist sowohl ein großer Sieg als auch eine kleine Enttäuschung.
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Um dies zu verstehen, packen wir aus, was das Google-Dokument tatsächlich beschreibt. Die Forscher führten das Experiment auf einem Quantencomputer-Chip namens Sycamore durch, der 54 winzige Objekte, sogenannte Qubits, enthält, die so programmiert werden können, dass sie die Ziffern 0, 1 oder eine gewichtete Kombination aus beiden, sogenannte Überlagerung, darstellen. Die Forscher legen Spannungsimpulse und Mikrowellen in verschiedenen Sequenzen an die Qubits an und ändern ihre Werte nach quantenmechanischen Regeln. Setzen Sie mehrere solcher Pulssequenzen zusammen und Sie haben einen Algorithmus für einen Quantencomputer geschrieben.
In dem Experiment zur Quantenüberlegenheit haben Googles Wissenschaftler einige Impulssequenzen entworfen, die ihren Computer im Wesentlichen in einen Zufallszahlengenerator verwandeln. Dann ließen sie den Quantencomputer Millionen von Zahlen ausspucken. Obwohl die Zahlen zufällig aussehen, sollen sie dennoch in ein vom Google-Algorithmus vorgegebenes Muster fallen. Also überprüften sie als nächstes, ob die Zahlen dieser Verteilung entsprachen. Sie taten.
Allein ist diese Aufgabe im Grunde eine Ausrede für einen Quantencomputer und einen Supercomputer, sich zu messen. Die praktischen Auswirkungen sind minimal. Dies ist jedoch das erste Rennen, das ein Quantencomputer gewonnen zu haben scheint. Der Supercomputer konnte nicht überprüfen, ob die Zahlen der zeitlichen Verteilung entsprachen.
Die wissenschaftlichen Bemühungen hinter diesem Experiment begannen vor mehr als einem Jahrzehnt mit Forschern außerhalb von Google. Im Jahr 2004 entwickelten Barbara Terhal und David DiVincenzo, damals bei IBM, die ersten mathematischen Beweise, dass Qubits diese spezifische Aufgabe schneller berechnen könnten als klassische Bits. Es war nicht klar, ob jemals jemand versuchen würde, die Aufgabe auszuführen. fähige Quantencomputer gab es noch gar nicht.
"Ich dachte, es sei eine nette Idee, aber eine weitgehend theoretische", sagt Terhal, der jetzt an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden arbeitet. „Wir haben einen ersten Entwurf zu einer Informatikkonferenz eingereicht, der abgelehnt wurde. Es war nicht wie "Oh, das ist eine gute Idee!" Überhaupt nicht."
Hochschulforscher in den USA und Kanada haben bereits 2007 die ersten Prototypen der von Google verwendeten Qubits entwickelt, die aus winzigen supraleitenden Schaltkreisen bestehen. Andere Forscher, darunter John Martinis, der jetzt das Google-Forschungsteam leitet, haben das Design verbessert und herausgefunden, wie es geht Verbinde sie und lass sie rechnen. Endlich hat diese kollektive Anstrengung das Analogon einer Symphonie hervorgebracht, in der die Musiker die ganze Musik schreiben, alle Instrumente erfinden und sich dann zum Spielen hinsetzen mussten.
Das Papier repräsentiert eine majestätische wissenschaftliche Produktion. Aber zu diesem Zeitpunkt hat sich der Fokus angesichts der Tatsache, dass große Unternehmen und Start-ups diese schwer fassbaren Maschinen gleichermaßen entwickeln, von wissenschaftlichen Errungenschaften auf die Wirtschaftlichkeit verlagert. Seit einigen Jahren deuten Forscher auf das neblige Ziel der Quantenüberlegenheit als Vorbote dafür hin, wann die Finanzzapfen auffliegen werden. Der Begriff wurde 2011 von Preskill geprägt und sollte eine Ära beschreiben, in der die Geräte schneller wurden als klassische Computer im Allgemeinen. Hat Google also die Quantenüberlegenheit erlangt?
"Ich weiß nicht, wer entscheidet, was das Höchste ist?", Fragt Terhal.
Sie glaubt, dass kein einzelnes Experiment die Quantenüberlegenheit nachweisen kann. es muss aus einer Reihe von Erfolgen hervorgehen. Das Google-Experiment ist eher ein Sprungbrett, sagt sie.
Einige Forscher ziehen es vor, sich überhaupt nicht auf die Vorherrschaft zu konzentrieren. IBM beschreibt zum Beispiel die Leistung seines Computers mit mehr fundierten, vielleicht sogar älteren Metriken, die zum Teil auf Genauigkeitstests basieren. Dies gab ihnen "eine Roadmap, um die Verbesserung der Systeme im Laufe der Zeit aufzuzeigen", sagt Jay Gambetta, ein Quantencomputer-Forscher bei IBM.
Ein weiteres Problem mit der Vorherrschaft ist, dass klassische Algorithmen manchmal aufholen können, sagt der Physiker Robin Blume-Kohout von den Sandia National Laboratories. Im Moment hat Google vielleicht Supercomputer besiegt, aber irgendwann könnte jemand eine clevere Möglichkeit finden, mit einem herkömmlichen Computer einen Rückkampf zu gewinnen.
Einige Forscher mögen den Begriff selbst einfach nicht. „In der Community gab es eine Menge Diskussionen darüber, ob wir aufgrund der üblen Konnotationen die Vormachtstellung nutzen sollten“, sagt Blume-Kohout. Eine Alternative ist "Quantenvorteil".
Es besteht auch die Möglichkeit, dass Googles Behauptung nicht aufrechterhalten wird. Die Wissenschaftler schrieben in ihrer Arbeit, dass der Quantencomputer die Aufgabe in 200 Sekunden erledigen könnte, verglichen mit 10.000 Jahren für einen Supercomputer. Es ist klar, dass sie 10.000 Jahre lang keinen Supercomputer betrieben haben, um ihre Behauptung zu überprüfen. Stattdessen führten die Forscher vereinfachte Versionen der Aufgabe sowohl auf dem Quantencomputer als auch auf dem Supercomputer durch und verglichen die Ergebnisse. Als der Quantencomputer bei den einfacheren Aufgaben erfolgreich war, vertrauten sie darauf, dass das Gerät auch die kompliziertere Aufgabe korrekt ausführte. Während Terhal die Methode persönlich für überzeugend hält, halten sie einige Experten für „etwas rutschig“. Um die Skeptiker zu überzeugen, sollte Google unabhängigen Forschern den Zugriff auf ihr Gerät ermöglichen, damit sie das Experiment selbst durchführen können.
