Googles Quantensprung

Ein geheimnisvolles Forschungspapier versetzt die Fachwelt in Aufregung. Hat der weltgrösste Digitalkonzern eine neue Ära der Rechner eingeleitet?

Die Berechnungen in einem Quantencomputer laufen bei minus 273 Grad Celsius ab.<br /> Foto: R. Kisby, Redux, Laif

Die Berechnungen in einem Quantencomputer laufen bei minus 273 Grad Celsius ab.
Foto: R. Kisby, Redux, Laif

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Wenn nüchterne Naturwissenschaftler am Telefon aufgeregt klingen, Fachmedien Superla­tive verwenden und Professoren Vergleiche mit den Gebrüdern Wright anstellen, dann scheint eines sicher zu sein: Es gibt einen wissenschaftlichen Durchbruch. Tatsächlich könnte es einem Team aus 76 Forschern gelungen sein, das nächste Zeitalter der Computertechnologie einzuläuten. «Unser Experiment markiert einen Meilenstein», schreiben die Wissenschaftler etwas unbescheiden in einem Fachartikel, der bislang nicht offiziell publiziert ist, aber dieser Zeitung vorliegt.

Die vornehmlich bei Google beschäftigten Experten wollen die sogenannte Quantenüberlegenheit erreicht haben. Demnach hat der von Googles «AI Quantum Team» neu entwickelte Computer eine konkrete Rechenoperation erstmalig schneller durchgeführt als ein klassisch gebauter Supercomputer – und zwar um Welten schneller. Während der Quantenrechner eine der gestellten Aufgaben innerhalb von 200 Sekunden löste, würde selbst der derzeit leistungsfähigste Computer dafür ungefähr 10 000 Jahre benötigen.

Ein wissenschaftlicher Durchbruch

Handelt es sich bei dem neuen Rechner um den lange ersehnten Quantensprung in der Quantenforschung? Oder stellt der Versuch ein symbolisches Laborexperiment ohne konkrete Anwendung dar? «Das ist ein technischer und wissenschaftlicher Durchbruch», sagt Klaus Ensslin vom Departement für Physik der ETH Zürich, Direktor des nationalen Forschungsschwerpunkts zu Quantenwissenschaft und Technologie. «Bis jetzt ist diese Rechnung von Google aber nicht von praktischer Relevanz.» Das bedeute, dass die eigentliche Arbeit jetzt erst anfange. «Zum Vergleich: Als man zeigen konnte, dass Fliegen möglich ist, war das ein Durchbruch. Bis zur Entwicklung der kommerziellen Luftfahrt war es aber noch ein weiter Weg. Ob etwas ein historischer Durchbruch war, kann man erst später bewerten.»

Quantencomputer führen Rechenoperationen nicht nacheinander, sondern parallel aus.

Als Nächstes sollte ein Quantencomputer ein heute relevantes Problem lösen. Ensslin erwartet, dass in den nächsten zehn Jahren Rechnungen mit Quantencomputern durchgeführt werden, die zum Beispiel zum besseren Verständnis von Molekülen führen werden. Das könnte etwa für die Herstellung von Dünger relevant sein oder für die Pharmaindustrie.

Normale Rechner unterliegen den Gesetzen der klassischen Physik. Sie verwenden binäre Bits, die immer nur einen Wert annehmen können: 0 oder 1. Quantencomputer arbeiten mit sogenannten Qubits, die sich nicht zwischen zwei Werten entscheiden müssen. Sie können 0 und 1 gleichzeitig sein. Dadurch nimmt die Menge an Informationen, die Quantencomputer verarbeiten können, in exponentiellem Masse zu. Ein Paar aus zwei Qubits kann vier Kombinationen ergeben, drei Qubits ergeben acht unterschiedliche Möglichkeiten, und 300 Qubits verkörpern mehr Zustände, als es Atome im Universum gibt.

Quantencomputer nutzen diesen Umstand, um Rechenoperationen nicht nacheinander, sondern parallel auszuführen. Doch Qubits reagieren sensibel auf Umwelteinflüsse. Bereits ein Luftmolekül kann das Gleichgewicht stören. Die Berechnungen laufen deshalb in einem Vakuum und bei minus 273 Grad Celsius ab, nahe dem sogenannten absoluten Nullpunkt. Diese Bedingungen sind technisch nur mit grossem Aufwand zu erreichen. Dennoch versuchen Wissenschaftler seit Jahrzehnten nachzuweisen, dass Quantenprozessoren auch in der Praxis schneller sein können als herkömmliche Rechner.

Vorhersagen für das Finanzsystem

Unternehmen, Staaten und Geheimdienste wie die amerikanische NSA haben Milliarden in die Entwicklung der Technologie investiert, denn sie hat enormes Potenzial: Chemiker könnten die Zusammensetzung von Medikamenten berechnen, statt sie Molekül für Molekül zusammenzubauen. Banken könnten Vorhersagen für das Finanzsystem treffen, Unternehmen ihre Logistik optimieren. Und IT-Sicherheitsforscher könnten neue Verschlüsselungsmethoden entwickeln – oder alle bestehenden Verschlüsselungen knacken. Panik ist aber nicht angebracht: Falls es so weit kommt, wird es wohl noch Jahrzehnte dauern.

«Es wurde bewiesen, dass es bereits heute Rechnungen gibt, die ein Quantencomputer schneller lösen kann als ein klassischer Computer.»: IBM Q System One in der Nahaufnahme. Foto: Reuters

Doch der Anfang scheint nun gemacht. Laut dem Papier hat Googles Forscherteam einen Prozessor namens Sycamore konstruiert. «Google ist es gelungen, auf 53 Qubits einen Algorithmus zu implementieren, der im Wesentlichen Zufallszahlen produziert, und zwar schneller als das auch der beste heutige Grosscomputer kann», sagt Ensslin. «Das Ergebnis dieser Rechnung ist nicht wirklich interessant, aber es wurde bewiesen, dass es bereits heute Rechnungen gibt, die ein Quantencomputer schneller lösen kann als ein klassischer Computer.»

Sycamore benötigte zehn Minuten für die gesamte Rechnung. Selbst auf Googles gigantischen Servern würde diese 50 Billionen Stunden dauern.

Ob die Ergebnisse der Versuche bereits von unabhängigen Forschern begutachtet wurden, ist nicht bekannt. Experten im Bereich der Quantenforschung wissen offenbar bereits seit Monaten von dem Papier. Aus diesen Kreisen heisst es, Googles Behauptung sei valide. Angeblich soll die Arbeit bald in einer hochrangigen Fachzeitschrift veröffentlicht werden. Das würde ein Peer-Review-Verfahren voraussetzen, bei dem Gutachter die Qualität der Arbeit überprüfen.

Die meisten Quantenforscher zollen Google schon jetzt Respekt. Frank Wilhelm-Mauch von der Universität des Saarlandes sieht in der Arbeit einen «Sputnik-Moment». Intels Quanten-Chef James Clarke spricht von einem «bemerkenswerten Meilenstein». Andere Wissenschaftler wie Daniel Lidar, Physiker an der University of Southern California, sind vor allem von der geringen Fehlerrate beeindruckt, die Google erreicht haben will.

Kritischer Blick auf Googles sensationelles Experiment

Google hat sich die Arbeit angeblich vom anerkannten Quantenforscher Scott Aaronson absegnen lassen, der an der University of Texas in Austin das Quantum Information Center leitet. Er schreibt in seinem Blog, dass er seit Monaten von Googles Forschung wisse. Er sei aber zur Verschwiegenheit verpflichtet und könne nichts weiter kommentieren. Die endgültige Enthüllung stehe kurz bevor. Obwohl der Blitz bereits sichtbar sei, wolle er es Google überlassen, über Ort und Zeitpunkt des Donners zu bestimmen, der die Forschungswelt erschüttern werde.

Es gibt allerdings auch Skeptiker. Dazu zählt etwa Dario Gil, der die Quantenforschung des Computerkonzerns IBM leitet. «Das Experiment und der Begriff der ‹Überlegenheit› wird von fast allen missverstanden werden», sagt Gil. Ein derartiges Laborexperiment eigne sich nicht, um zu beweisen, dass Quantencomputer klassischen Computern überlegen seien. Um einen realen Nutzen aus der Technologie zu ziehen, müsse man Algorithmen und Programme entwickeln, die ein breites Spektrum an Aufgaben erfüllen könnten. Googles Behauptung sei deshalb irreführend, sagt Gil. «Dieses Ziel ist noch nicht erreicht.»

Erstellt: 01.10.2019, 22:38 Uhr

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