Google Quantencomputing: erstmals verifizierbarer Quantenvorteil erzielt

Google Quantum AI hat das erstmalige Erreichen eines verifizierbaren Quantenvorteils für eine praktische Aufgabe verkündet. Das Forschungsergebnis, das im Magazin "Nature" veröffentlicht wurde, stellt einen wichtigen Schritt dar, der das Quantencomputing vom Bereich der reinen Wissenschaft hin zu praktischen Anwendungsmöglichkeiten führt.

Der Algorithmus und die Hardware

Die Demonstration gelang auf Googles Quantenchip „Willow". Bei der Innovation handelt es sich um den Algorithmus "Quantum Echoes", der auch als Out-of-Order Time Correlator (OTOC) Algorithmus bekannt ist. Es ist das erste Mal in der Geschichte, dass ein Quantencomputer erfolgreich einen verifizierbaren Algorithmus auf Hardware ausgeführt hat. Die Leistung übertrifft die Geschwindigkeit der schnellsten klassischen Supercomputer um das 13.000-Fache.

Der Begriff "verifizierbarer Quantenvorteil" bedeutet, dass das Ergebnis auf dem Quantencomputer oder auf jedem anderen Quantensystem oder Computer gleicher Qualität wiederholt werden kann, um die Antwort zu bestätigen. Es ist eine wiederholbare Berechnung, die über die klassische hinausgeht und die Basis für die skalierbare Verifizierung darstellt.

Der Willow Chip, der für die Durchführung der Berechnungen verwendet wurde, ist aus supraleitenden integrierten Schaltkreisen aufgebaut. Die Hardware zeichnet sich durch genaue Quantengatter und Techniken zur Fehlerunterdrückung aus. Um Präzision und Komplexität zu gewährleisten, sind extrem niedrige Fehlerraten und schnelle Operationen erforderlich. Über den gesamten Verlauf des Projekts wurden insgesamt eine Billion Messungen durchgeführt.

Funktionsweise und Anwendung

Das Quantum Echoes-Verfahren funktioniert ähnlich wie ein Echo, das in das Quantensystem, nämlich die Qubits auf dem Willow-Chip, gesendet wird. Nach dem Senden eines Signals und der Störung eines Qubits wird die Entwicklung des Signals präzise umgekehrt, um auf das zurückkommende Echo zu achten. Das Quantenecho wird durch konstruktive Interferenz verstärkt, wobei sich Quantenwellen addieren, um stärker zu werden. Das ermöglicht eine sensitive Messung. Die Implementierung erfolgte auf einem 105-Qubit-Array. Der Algorithmus testet sowohl die Komplexität als auch die Präzision der endgültigen Berechnung.

Der Algorithmus kann nützlich sein, um die Struktur natürlicher Systeme zu untersuchen, darunter Moleküle, Magnete oder Schwarze Löcher. Quantencomputer werden zur Modellierung quantenmechanischer Phänomene wie den Wechselwirkungen von Atomen und Teilchen und der Struktur von Molekülen eingesetzt. Die Modellierung der Form und Dynamik von Molekülen ist grundlegend für die Chemie, Biologie und Materialwissenschaft.

In einem separaten Machbarkeitsnachweis wurde der Quantum Echoes-Algorithmus in Partnerschaft mit der University of California, Berkeley, angewendet, um die Geometrie von zwei Molekülen mit 15 beziehungsweise 28 Atomen zu untersuchen. Die Ergebnisse stimmten mit den Resultaten der traditionellen Kernspinresonanz (NMR) überein und lieferten zusätzlich Informationen, die normalerweise nicht über NMR verfügbar sind. NMR ist eine Methode, die zur Bestimmung der chemischen Struktur dient und die gleiche wissenschaftliche Grundlage wie die MRT-Technologie hat. Das dient als Validierung des Ansatzes. Die erweiterte NMR durch Quantencomputing könnte künftig bei der Entdeckung neuer Medikamente oder in der Materialwissenschaft von Nutzen sein.

Ausblick

Der Erfolg des verifizierbaren Quantenvorteils ist ein bedeutender Schritt hin zu den ersten realen Anwendungen des Quantencomputings. Die Entwicklung baut auf früheren Meilensteinen auf, einschließlich der Demonstration der Quantenüberlegenheit im Jahr 2019 und der Fähigkeit des Willow-Chips zur dramatischen Fehlerunterdrückung, das Ende 2024 gezeigt wurde. Der Fokus liegt nun auf dem Erreichen von Meilenstein 3 der Quanten-Hardware-Roadmap, einem langlebigen logischen Qubit.