Google gab am Mittwoch einen großen Durchbruch im Quantencomputing bekannt und behauptete, es habe den ersten nachweisbaren Quantenvorteil erzielt. Googles neuer „Quantum Echoes“-Algorithmus, der auf seinem Willow-Chip läuft, führte eine komplexe Berechnung erstaunlich 13.000-mal schneller durch, als der weltbeste Supercomputer sie simulieren konnte.
Ausführlich im wissenschaftlichen Journal Nature markiert diese Errungenschaft einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zum Bau praktischer Quantenmaschinen.
Forscher glauben, dass diese Systeme eines Tages derzeit unlösbare Probleme in der Medizin, der Materialwissenschaft und anderen Bereichen lösen könnten. Dieser Meilenstein verschiebt den Quantenwettlauf von reiner Wissenschaft hin zu überprüfbarer, wiederholbarer Technik mit realen Anwendungen am Horizont.
Wie Google in seiner Ankündigung erklärte: „Dies ist das erste Mal in der Geschichte, dass ein Quantencomputer erfolgreich einen überprüfbaren Algorithmus ausgeführt hat, der die Fähigkeiten von Supercomputern übertrifft.“
Ein neuer Meilenstein: Überprüfbarer Quantenvorteil
Eine Berechnung 13.000-mal schneller ausführen als ein Supercomputer, Googles neueste Errungenschaft ist mehr als nur ein Geschwindigkeitsrekord. Es stellt einen grundlegenden Fortschritt in der Zuverlässigkeit und Vertrauenswürdigkeit von Quantenhardware dar, eine entscheidende Hürde, die die Branche nur schwer überwinden konnte.
Das Experiment wurde auf dem 105-Qubit-Willow-Prozessor durchgeführt und führte erfolgreich einen physikalischen Algorithmus durch, der modelliert, wie sich Informationen in einem Quantensystem ausbreiten und neu fokussieren.
Hinter den schlagzeilenträchtigen Zahlen verbirgt sich eine tiefgreifendere Errungenschaft: Überprüfbarkeit. Zum ersten Mal hat ein Quantencomputer eine Beschleunigung einer Aufgabe demonstriert, die zuverlässig wiederholt und mit der Natur verglichen werden kann.
Dies steht im Gegensatz zu früheren Demonstrationen der „Quantenüberlegenheit“, die bahnbrechend, aber schwerer unabhängig zu bestätigen waren. Laut Sundar Pichai, CEO von Google, „ist das Ergebnis überprüfbar, was bedeutet, dass sein Ergebnis von anderen Quantencomputern wiederholt oder durch Experimente bestätigt werden kann.“
Eine solche Fähigkeit bringt die Technologie über einmalige Demonstrationen hinaus in den Bereich eines konsistenten, von Ingenieuren geleiteten Fortschritts.
Die neue Technik, Quantenechos genannt, funktioniert, indem sie ein sorgfältig gestaltetes Signal in das Quantensystem sendet. Forscher stören dann ein einzelnes Qubit und kehren die Entwicklung des Signals präzise um, um auf das „Echo“ zu achten, das zurückkehrt.
Dieses Echo, verstärkt durch ein Phänomen namens konstruktive Interferenz, enthüllt unglaublich sensible Informationen über die Struktur und Dynamik des Systems.
Seit Jahren wird das Versprechen des Quantencomputings durch die Herausforderung von Fehlern und Instabilität getrübt. Dieser Durchbruch baut direkt auf dem Erfolg des Willow-Chips im Jahr 2024 auf, eine Fehlerkorrektur „unter dem Schwellenwert“ zu erreichen.
Dieser Meilenstein hat bewiesen, dass eine Skalierung des Systems, sobald Qubits eine bestimmte Qualität erreichen, tatsächlich Fehler reduzieren, anstatt sie zu verstärken, und so den Weg für größere, stabilere Prozessoren ebnet.
Vom Labortisch in die reale Welt: Anwendungen und Bedrohungen
Mit diesem neuen Maß an Präzision ist Google optimistisch, was den Weg zu praktischen Anwendungsfällen angeht. Hartmut Neven, Gründer und Leiter von Google Quantum AI, prognostizierte einen klaren Zeitplan: „Mit Quantenechos sind wir weiterhin optimistisch, dass wir innerhalb von fünf Jahren reale Anwendungen sehen werden, die nur auf Quantencomputern möglich sind.“
Die vielversprechendsten Anwendungen liegen in der Simulation der natürlichen Welt auf molekularer Ebene, eine Aufgabe, die selbst die leistungsstärksten klassischen Computer überfordert.
Ein tieferes Verständnis davon Wechselwirkungen könnten neue Katalysatoren, effizientere Batterien und neuartige Arzneimittel freisetzen.
In einem Proof-of-Principe-Experiment mit der University of California, Berkeley, verwendeten Forscher die Quantenecho-Technik, um die Struktur von Molekülen zu analysieren.
Die Ergebnisse legen nahe, dass die Methode ein leistungsstarkes Werkzeug für die Arzneimittelforschung und Materialwissenschaft werden könnte. Wie Google in seiner Ankündigung erklärte: „So wie das Teleskop und das Mikroskop neue, unsichtbare Welten eröffneten, ist dieses Experiment ein Schritt in Richtung eines ‚Quantenskops‘, mit dem bisher nicht beobachtbare Naturphänomene gemessen werden können.“
Die zunehmende Leistungsfähigkeit von Quantenmaschinen rückt jedoch auch eine erhebliche Bedrohung in den Fokus: das Potenzial, moderne Verschlüsselung zu durchbrechen.
Ein Fortschritt dieser Größenordnung bringt Neues Dringlichkeit für den Angriffsvektor „Jetzt ernten, später entschlüsseln“, bei dem Angreifer heute verschlüsselte Daten mit der Absicht stehlen, sie zu entschlüsseln, sobald ein leistungsstarker Quantencomputer verfügbar ist.
Eine solche Bedrohung besteht veranlasste Regierungsbehörden wie NIST, Standards für die Post-Quantenkryptographie (PQC) zu finalisieren, um sich gegen zukünftige Angriffe zu schützen.
Es besteht ein direktes Risiko für digitale Vermögenswerte und Kommunikation. Wie Christopher Peikert, Professor an der University of Michigan, Decrypt sagte: „Quantenberechnungen stellen mit angemessener Wahrscheinlichkeit – mehr als fünf Prozent – ein großes, sogar existenzielles, langfristiges Risiko dar.“ zu Bitcoin und anderen Kryptowährungen
Während Google sich darauf konzentriert hat, mit seinen supraleitenden Qubits nachweisbare Geschwindigkeit zu demonstrieren, erkunden seine Konkurrenten grundlegend andere Wege, jeder mit seinen eigenen Risiken und potenziellen Vorteilen.
IBM, ein Pionier auf diesem Gebiet, hat einen ehrgeizigen Fahrplan für ein fehlertolerantes System bis 2029 aufgestellt qLDPC zielt darauf ab, die Anzahl der physischen Qubits, die zur Erstellung eines einzigen stabilen logischen Qubits erforderlich sind, drastisch zu reduzieren.
Amazons AWS entwickelt mit seinem Ocelot-Chip „bosonische Qubits“, die bestimmte Fehler auf Hardwareebene auf natürliche Weise unterdrücken sollen. Ihre Philosophie besteht darin, die Fehlerkorrektur von Grund auf in die Architektur zu integrieren, anstatt sie später hinzuzufügen.
Microsoft verfolgt eine mutige, duale Strategie. Es unterstützt einen großen Quantencomputer mit neutralen Atomen in Dänemark und entwickelt gleichzeitig seine eigenen „topologischen Qubits“ mit hohem Risiko und hoher Belohnung.
Sein Majorana-1-Chip zielt darauf ab, Qubits zu erzeugen, die inhärent stabil sind, was theoretisch die Notwendigkeit einer komplexen Fehlerkorrektur ganz überflüssig machen könnte, obwohl die Technologie noch experimentell ist.
Jeder Ansatz stellt gewaltige technische Herausforderungen dar, und das bleibt auch weiterhin der Fall Es ist unklar, welches sich letztendlich als am skalierbarsten und praktischsten erweisen wird.
Der Fortschritt ist jedoch unbestreitbar. Winfried Hensinger, Professor an der University of Sussex, bemerkte, dass die Arbeit von Google „noch einmal überzeugend“ sei Ein Beweis dafür, dass Quantencomputer nach und nach immer leistungsfähiger werden.“
Letztendlich stellt Googles Ankündigung den Quantenwettlauf neu dar. Bei dem Wettbewerb geht es nicht mehr nur um reine Qubit-Zahlen oder theoretische Geschwindigkeit, sondern um den Aufbau von Systemen, die überprüfbare, wiederholbare und letztendlich nützliche Ergebnisse liefern können.
Auch wenn sich die Branche noch nicht in ihrem „ChatGPT-Moment“ befindet, rückt dieser Durchbruch diesen Tag deutlich näher.
