Quantenüberlegenheit: Chinesische Forscher melden Durchbruch

Quantenüberlegenheit: Chinesische Forscher melden Durchbruch

Google wollte die Quantenüberlegenheit beweisen, wurde aber von IBM und einigen Experten zurechtgewiesen. Jetzt haben chinesische Forscher ein Experiment durchgeführt, das definitiv zeigt: Quantencomputer lassen ihre binären Vorgänger im Staub zurück.

Dass Quantencomputer binären Computern in einigen Aufgaben haushoch überlegen sind, ist in der Theorie schon lange bekannt. Diese Theorie schafft die Motivation, Quantencomputer überhaupt in der Praxis zu erforschen.

Eine experimentelle Demonstration der Quantenüberlegenheit steht aber bisher noch aus. Genau die soll jetzt einem chinesischen Forscher-Team gelungen sein.

Googles vertagte Quantenüberlegenheit

Zunächst ein Blick zurück: Im Oktober 2019 veröffentlichte Google Details zum eigenen Quantencomputerchip „Sycamore“. Der sollte mit seinen 54 Quantenbits (Qubits) aktuellen Supercomputern in einer bestimmten Rechenaufgabe gewaltig überlegen sein und so die Quantenüberlegenheit beweisen.

Kurz nach Googles Ankündigung verkündete jedoch IBM, der binäre Supercomputer „Summit“ könne die von Google in 200 Sekunden bewältigte Rechenaufgabe in zweieinhalb Tagen erledigen. Google ging bei der eigenen Ankündigung noch davon aus, dass binäre Computer 10.000 Jahre rechnen müssten.

Kurz: Die Quantenüberlegenheit fiel erst mal aus. Bis jetzt.

Bosonen mit Bosonen vorhersagen

Die chinesischen Forscher der University of Science and Technology in Hefei führten jetzt eine Berechnung mittels Laserlicht-Strahlen durch, die auf Supercomputern Milliarden Jahre dauern würde. Anders als bei Googles Experiment gibt es dafür einen anerkannten mathematischen Beweis.

Die Forscher wählten das Problem des sogenannten Boson-Sampling, das 2011 von den zwei Informatikern Scott Aaronson und Alex Arkhipov vom MIT in Cambridge entwickelt wurde.

Im Kern geht es um die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsverteilung vieler Bosonen – einer Kategorie fundamentaler Teilchen, zu denen auch das Photon gehört. Die Wahrscheinlichkeit, ein Boson an einer bestimmten Position zu messen, lässt sich theoretisch mit einer Gleichung mit vielen Unbekannten berechnen. Das Problem ist schwer zu lösen, da die Quantenwellen so interferieren, dass sie die Position der Teilchen zufällig erscheinen lassen.

Die Berechnung der Wahrscheinlichkeitsverteilung gilt als #P-schweres Problem: Es gehört zu den schwersten bekannten Komplexitätsklassen und ist mit binären Computern nicht zu lösen. Aaronson und Arkhipov zeigten, dass es für mehrere Dutzend Bosonen keine mögliche Abkürzung für die Berechnung mit binären Computern gibt.

Hier kommen Quantencomputer ins Spiel: Sie können statt einer rohen Berechnung die Quantenprozesse direkt simulieren, indem sie Bosonen aufeinander wirken lassen und die resultierende Verteilung anschließend messen.

3,33 Minuten statt 2,5 Milliarden Jahre

Die Forscher wählten für ihr Experiment einen Photonen-Quantencomputer, der bei Raumtemperatur arbeiten kann. Ausgehend von Laserimpulsen kodieren sie die notwendigen Ausgangsinformationen in Photonenzustände und bringen sie zusammen.

Anschließend lassen sie die Zustände aufeinander einwirken. So entsteht eine Photonenverteilung, die mit Photonendetektoren gemessen werden kann und den Output des Computers darstellt. Dieser Output entspricht dem Ergebnis der Berechnungen, die auf binären Computern praktisch unmöglich sind.

Nach 200 Sekunden konnten die Forscher so die Lösungen für das Boson-Sampling finden. Sie schätzen, dass der chinesische Supercomputer TaihuLight – der viertschnellste Supercomputer der Welt – dafür 2,5 Milliarden Jahre rechnen müsste. Das entspricht einem Vorteil der Quantenberechnung von 10 hoch 14.

Sind Photonen-Quantencomputer die Zukunft der Computer?

Ian Walmsley, Physiker am Imperial College London, bezeichnet die Arbeit der Forscher als „wichtigen Meilenstein“. Es sei unwahrscheinlich, dass ein besserer klassischer Algorithmus gefunden werden könne, wie es IBM im Nachgang zu Googles Sycamore-Experiment gelang.

Auch Christian Weedbrook, Geschäftsführer des kanadischen Quantencomputing-Startups Xanadu, sieht das chinesische Experiment als validen Beweis, bei dem erstmals „ein Quantenvorteil mit Licht oder Photonik demonstriert wurde.“

Die photonischen Schaltkreise der Forscher seien jedoch im Gegensatz zu Googles Sycamore nicht programmierbar, sodass der chinesische Quantencomputer aktuell keine praktischen Probleme lösen könne.

Sollte das Team jedoch auf Grundlage der eigenen Forschung einen ausreichend effizient programmierbaren Chip entwickeln, könnten viele grundlegende Rechenprobleme gelöst werden, meint Weedbrock. Die chinesischen Forscher nennen als Beispiele etwa die Vorhersage, wie Proteine aneinander andocken oder wie Moleküle schwingen.

Weedbrock ist sich sicher, dass dieser Fortschritt gelingt und sieht Photonen-Quantencomputer generell auf dem Vormarsch. Sie seien zwar erst später entwickelt worden, könnten aber ältere Ansätze für Quantencomputer sprunghaft hinter sich lassen.

„Es ist nur eine Frage der Zeit, bis Quantencomputer die klassischen Computer im Staub zurücklassen werden“, sagt Weedbrock.

Titelbild: MBI | Via: Science, Nature

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