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Quantenrechner „Sycamore“ : 1:0 für Googles Quantencomputer

Auf Googles Quantenprozessor Sycamore sitzen 53 miteinander verdrahtete Quantenresonatoren. Jeder einzelne stellt ein Quantenbit dar, das zwei Zustände gleichzeitig annehmen kann. Bild: Erik Lucero,Google

Der Internetriese Google hat einen Quantenprozessor präsentiert, der alle Rekorde bricht. Er löst innerhalb von Minuten ein komplexes Problem, das sogar den schnellsten Supercomputer überfordert.

          3 Min.

          Auf diese Nachricht haben viele, die in der Welt der Computer zu Hause sind, schon seit Wochen gewartet. Bislang kursierten nur Gerüchte. Seit gestern ist es nun offiziell und schwarz auf weiß in einem Artikel in der Online-Ausgabe des britischen Wissenschaftsmagazins „Nature“ zu lesen. Forscher und Ingenieure von Google haben den ersten Quantencomputer entwickelt, der jedem klassischen Computer, selbst dem schnellsten, überlegen ist, zumindest bei der Lösung eines ganz bestimmten Problems. Googles Quantenprozessor „Sycamore“ hat eine äußerst knifflige statistische Berechnung innerhalb von nur dreieinhalb Minuten gemeistert, für die selbst der derzeit leistungsfähigste Supercomputer schätzungsweise zehntausend Jahre benötigt hätte. Der Grund für die Überlegenheit: Googles-Quantencomputer erledigt Rechenoperationen nicht Schritt für Schritt, wie jeder klassische PC, sondern auf einen Schlag und deshalb blitzschnell. Und „Sycamore“ kann das offenbar so effizient, dass viele Forscher, die ebenfalls an Quantenrechnern basteln, vor Neid erblassen dürften.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Noch vor gut zwanzig Jahren überwiegend von rein akademischem Interesse, tüfteln heute fast alle großen Computerhersteller und Internetfirmen an eigenen Quantenrechnern, allen voran IBM, Intel, Microsoft, der chinesische Online-Händler Alibaba und natürlich Google. Jeder will als Erster einen funktionierenden Quantencomputer auf den Markt bringen, und hat dafür Milliarden von Dollar investiert.

          Eins oder Null? Nein, beides zugleich

          Denn die Erwartungen sind groß: Die Rechenmaschine soll große Datenbanken in Windeseile durchforsten, riesige Datenmengen extrem schnell verarbeiten können – und darin Muster erkennen, die für einen klassischen Computer nur schwer auszumachen sind. Davon könnte nicht zuletzt die Material- und Pharmaforschung, aber auch die Krebsmedizin profitieren. Zudem soll ein leistungsfähiger Quantencomputer bisher als sicher geltenden Code knacken können. Auch Europa hat aus Angst, den Anschluss zu verlieren, vor zwei Jahren ein milliardenschweres Flaggschiff-Projekt aufgelegt. Doch angesichts der finanzstarken internationalen Konkurrenz hat man es in Europa nicht gerade leicht mitzuhalten.

          Der Quantenprozessor „Sycamore“ von Google sitzt im Inneren dieser Vorrichtung. Der Quantencomputer funktioniert erst, wenn er in ein Kältebad getaucht und auf eine extrem tiefe Temperatur gekühlt wird.

          Die Leistungsfähigkeit von Sycamore beruht wie bei jedem Quantenrechner darauf, dass er zum Rechnen die Regeln der Quantenphysik nutzt. Und diese sind bekanntlich recht bizarr. So können Elektronen, Atome und Lichtquanten zwei sich klassisch ausschließende Zustände gleichzeitig annehmen und selbst über noch so großen Distanzen magisch miteinander verbunden sein – zwei Phänomene, die, wenn man sie für die Informationsverarbeitung nutzt, völlig neue Möglichkeiten eröffnen.

          Während jeder PC nach den Regeln der binären Algebra mit Bits rechnet, die nur zwei Werte („0“ oder „1“) annehmen können, arbeitet ein Quantencomputer mit quantenphysikalischen Informationseinheiten. Diese Quantenbits (Qubits) können außer den beiden binären Zuständen noch beliebig viele Zwischenwerte annehmen, und das gleichzeitig. Es ist, als zeige eine Münze, die man in die Luft geworfen hat, gleichzeitig auf Kopf oder Zahl. Diese Eigenschaft ermöglicht erheblich mehr Kombinationen, weshalb auch mehr Daten verarbeitet werden können als in der klassischen Digitaltechnik. Sind bei zwei Qubits noch vier Zustände gleichzeitig möglich, werden es bei zehn Qubits bereits 1024 (korrigiert Red.), und bei 20 Quantenbits schon mehr als eine Million. Und mit jedem weiteren Qubit werden es mehr und mehr  Daten, die verarbeitet und gespeichert werden können

          Hatten die besten Quantenprozessoren bislang maximal 20 Quantenbits, verfügt Googles Sycamore über 53 Stück. Diese sind auf einem fingernagelgroßen Chip in Gestalt von winzigen Schaltkreisen untergebracht. Wird der Chip stark abgekühlt, verwandeln sich die Schaltkreise in Quantenbits. Sie werden zu Resonatoren, die verschiedene Resonanzfrequenzen annehmen können.

          Wissenschaftler arbeiten im Google-Labor in Santa Barbara an ihrem Quantencomputer „Sycamore“. Dieser befindet sich in einem Kältebad. Darin wird er mit flüssigem Helium gekühlt.

          Um die Leistungsfähigkeit und Überlegenheit von Sycamore auf die Probe zu stellen, haben die Wissenschaftler ihn ein hochkomplexes Problem der statistischen Quantenphysik rechnen lassen. Durch wiederholte zufällige Manipulationen der 53 Qubits wurde eine große Zahl langer Bitfolgen generiert, deren Verteilung quantenmechanischer Statistik genügt. Eine Berechnung dieser Statistik mithilfe klassischer Computer muss aufgrund der großen Zahl an Möglichkeiten scheitern. Sycamore musste sich mit mehreren Supercomputern messen, darunter aktuell der leistungsstärkste Supercomputer „Summit“ von IBM und Supercomputer „Juwels“ aus Jülich. Und er zeigte sich überlegen.

          Dass damit auch der Durchbruch auf dem Gebiet des Quantencomputing erreicht ist, darf aber bezweifelt werden. Sycamore hat seine Überlegenheit gegenüber klassischen Computern in einem nur speziellen Fall unter Beweis gestellt. Bis zum frei programmierbaren universellen Quantencomputer, der nicht nur eine Aufgabe meisternkann, sondern ein ganzes Repertoire, dürfte es aber noch ein weiter Weg sein. Der erste Schritt ist getan.

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