Google hat einen Computer entwickelt, der Probleme in Minuten lösen kann, für die bisherige Supercomputer Tausende Jahre benötigen. Damit habe man die Quantum Supremacy erreicht, zu Deutsch "Quantenüberlegenheit". Das behauptet Google in einem Blogbeitrag und in einer Studie, die am Mittwoch im Wissenschaftsmagazin Nature erschienen ist (Nature: Arute et al., 2019).

Damit bestätigt das Unternehmen die Berichte von Ende September, wonach Google, zumindest in Ansätzen, einen funktionierenden Quantencomputer gebaut haben will. Die Basis des Systems bildet ein Quantenprozessor namens Sycamore, auf dem 54 individuell programmierbare Quantenbits (Qubits) arbeiten. Diese Qubits funktionieren nicht wie traditionelle Bits, die entweder den Wert 1 oder 0 annehmen können. Qubits können, je nach quantenmechanischer Manipulation, beide Zustände gleichzeitig annehmen und in diesem Überlagerungszustand, der Superposition, bis zum Ende einer Berechnung verharren. Zudem können sie sich untereinander verschränken.

Zwei Qubits können somit gleichzeitig in vier Zuständen sein und diese Anzahl wächst exponentiell. Mit den 53 Qubits von Sycamore, die an der Berechnung beteiligt waren, ist demnach eine parallele Darstellung von 2^53 Zuständen möglich. Das bedeutet, dass deutlich mehr Rechenoperationen gleichzeitig ausgeführt werden können als in traditionellen Computern. Und entsprechend schneller lassen sich auch komplexe Aufgaben lösen.

Wie viel schneller, beschreibt Google in einem Paper: Für die in der Studie verwendeten Berechnungen habe der Sycamore-Prozessor lediglich 3:20 Minuten gebraucht. Die besten Supercomputer bräuchten dafür geschätzt derzeit 10.000 Jahre. Der Test bestand, sehr vereinfacht ausgedrückt, aus einer Berechnung für komplexe Zufallszahlen. Die Forscherinnen und Forscher nahmen eine zufällige Folge von Manipulationen der Qubits, wiederholten die Sequenz millionenfach, und zeichneten die Ergebnisse auf. Zum Vergleich wurden die Ergebnisse mit einem herkömmlichen Supercomputer berechnet. Wie Google-Mitarbeiter in einem Video erzählen (siehe oben), sei man irgendwann an den Punkt gelangt, an dem die Supercomputer nicht mehr nachkamen.

Kritik an der Quantenüberlegenheit

"Es ist der 'Hello world'-Moment, auf den wir gewartet haben", schreibt Googles CEO Sundar Pichai in einem Blogbeitrag. Die Entdeckung reihe sich ein in die ersten Raketen, die in den Weltraum geschossen wurden und die erst den Weg für die Erkundung des Weltraums ebneten. Quantencomputer könnten, so Pichai, künftig für die Entwicklung besserer Batterien, im Kampf gegen den Klimawandel und für die Forschung von Medikamenten eingesetzt werden – auch wenn es "noch viele Jahre dauern wird, bis wir eine breitere Palette von realen Anwendungen implementieren können".

Der hat kein dringendes Problem gelöst oder andere Transportmöglichkeiten abgelöst.
William D. Oliver, Informatiker in "Nature"

In der Fachwelt stößt Googles mutmaßliche Quantenüberlegenheit auf gemischte Reaktionen. Einerseits sprechen Experten von einer bahnbrechenden Entwicklung. Es sei durchaus ein Meilenstein, sagt Frank Wilhelm-Mauch, Professor für Quantentheorie an der Universität des Saarlandes. "Die Demonstration erinnert mich an den ersten Flug der Gebrüder Wright", schreibt der Informatiker William D. Oliver vom MIT in einem Begleittext in Nature. "Der hat kein dringendes Problem gelöst oder andere Transportmöglichkeiten abgelöst." Aber es habe Signalwirkung gehabt und gezeigt, was möglich sei.

Andererseits gibt es auch Kritik, unter anderem am Versuchsaufbau. Der war speziell auf die Stärken des Systems zugeschnitten, hat aber praktisch keinerlei Aussagekraft. Die Berechnung eines konkreten Problems ist derzeit nicht möglich, weil die Fehlerrate noch immer zu hoch ist und im vorgestellten Experiment nur durch die ständigen Wiederholungen gewissermaßen kompensiert wurden. Die Gefahr, durch Quantencomputer könnten gängige Verschlüsselungstechniken in Sekunden geknackt werden, ist deshalb zwar theoretisch gegeben, praktisch aber noch einige Zeit entfernt.

Forscherinnen und Forscher von IBM, das ebenfalls einen Quantencomputer entwickelt, haben erst vor wenigen Tagen Zweifel an der beschriebenen Überlegenheit des Google-Systems geäußert. In einem Paper (arXiv: Pednault et al., 2019) schreiben sie, dass die Kollegen die Kapazitäten der Supercomputer nicht richtig ausgenutzt hätten. Diese könnten das Problem nämlich nicht erst in 10.000 Jahren lösen, sondern mit richtiger Konfiguration in etwa 2,5 Tagen – was dann die Behauptung der Quantenüberlegenheit widerlegen würde.

Überhaupt solle man den Begriff stets skeptisch betrachten, schreiben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Eine Schlagzeile im Sinne von "Quantenüberlegenheit erreicht" sei zwar unwiderstehlich, aber auch irreführend, solange es keine genaue Definition darüber gebe, wie man sie eigentlich misst.