Meilenstein bei Quantenchips weckt Vorfreude auf die Zukunft der Computertechnik

Ein neuer Meilenstein im Quantencomputing

Quantencomputing ist zusammen mit KI ein neuer Horizont für die Tech-Industrie. Denn im Gegensatz zu andere nicht-Silizium-Computertechnologiengies, wie Graphen, Photonik oder sogar biologische Organoide, führt das Quantencomputing Berechnungen auf eine radikal neue Art und Weise durch.

Dies geschieht durch die Ausnutzung von Quanteneffekten, wobei die Berechnung nicht mit 0 und 1 (binären Bits) durchgeführt wird, sondern mit Qubits, bei denen die Partikeldaten entweder 0 UND 1 gleichzeitig oder 1 oder 0 sind. Diese unterschiedlichen Methoden bedeuten, dass Quantencomputer bei einigen mathematischen Problemen absurd viel effizienter sein können als normale Computer.

Und genau das hat Google gerade demonstriert: Das Unternehmen hat einen neuen Chip vorgestellt, der in fünf Minuten ein Problem löst, für das die schnellsten Supercomputer der Welt derzeit zehn Quadrillionen – oder 10,000,000,000,000,000,000,000,000 – benötigen würden. Jahr – zu vervollständigen.

Neben dieser bemerkenswerten Leistung könnte dies auch der erste Quantencomputerchip sein, der eine vernünftige Chance hat, skalierbar und zuverlässig für nützliche Berechnungen zu sein. Die Ergebnisse wurden in der Top-Wissenschaftspublikation Nature unter dem Titel „Quantenfehlerkorrektur unterhalb der Oberflächencodeschwelle".

Lernen Sie Willow kennen

Der fragliche Google-Quantencomputerchip heißt Willow.

Quelle: Google

Dies ist die letzte Version einer Reihe von immer leistungsfähigeren Quantenchips, die von Google entwickelt wurden und Foxtail, Bristlecone und Sycamore heißen.

Quelle: Google

Um Willows Leistung zu testen, Zufallsbasierte Schaltungsabtastung (RCS) Ein Benchmark wurde verwendet, um ihn mit einem normalen Supercomputer zu vergleichen. Diese Technik wurde entwickelt, um die Leistung von Sycamore zu messen. Dabei wird die Anzahl der Qubits bewertet, die erforderlich ist, um die gleiche Anzahl mit einem klassischen Computer zu erreichen.

Quelle: Google

Skalierbarkeit endlich in Reichweite

Eine der größten Einschränkungen des Quantencomputings besteht bislang darin, dass Qubits extrem fragil sind. Dies liegt daran, dass Quantenzustände in der Regel sehr kurzlebig sind und Störungen aus der Umgebung die für Quantenberechnungen erforderlichen Bedingungen destabilisieren.

Aus diesem Grund arbeiten alle aktuellen Quantencomputer unter ultrakalten Bedingungen und erfordern supraleitende Materialien. Dies macht sie nicht nur komplexer und teurer, sondern auch sehr schwierig, zuverlässig zu nutzen.

„Damit ein Quantencomputer sinnvolle Berechnungen durchführen kann, braucht man Quanteninformationen, und man muss sie vor der Umgebung schützen – und vor uns selbst, wenn wir Manipulationen an ihnen vornehmen.“

Julian Kelly - Physiker bei Google, Leiter der Abteilung Quantenhardware

Das Problem wird noch dadurch verschärft, dass je mehr Qubits ein System hat, desto größer die Fehlerquote ist, und jede Instabilität einen Dominoeffekt auslöst. Je mehr Qubits also vorhanden sind, desto größer sind die Fehlerquoten, bis zu dem Punkt, an dem die Gesamtleistung durch das Hinzufügen zusätzlicher Rechenleistung tatsächlich abnimmt.

Und vielleicht ist es nicht seine Rechenleistung, die Willow zu einem echten Durchbruch macht.

Mehr zur genauen Leistung von Willow können Sie sich auch direkt in der speziellen Videopräsentation von Google ansehen:

Error Correction

Der grundlegende Schritt für Google bestand darin, an der sogenannten Fehlerkorrektur zu arbeiten. Die Idee dahinter ist, dass in einem bestimmten Quantencomputer einige Qubits zuverlässiger sind als andere.

Daher können die Ausreißer-/leistungsschwachen Qubits so neu konfiguriert werden, dass sie die gleiche Leistung erbringen wie der Rest des Chips.

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Weitere Verbesserungen können durch die Verbesserung der Kalibrierungsmethode erreicht werden, sodass Fehler durch Softwareverbesserungen auf allen Qubits minimiert werden.

Schwellenwert für die Quantenfehlerkorrektur

Dieser Schwellenwert ist ein seit langem angestrebtes Ziel der Quanteninformatiker. Hier ist die Fehlerrate niedrig genug, sodass je mehr Qubits Sie hinzufügen, desto weniger Fehler, den Sie erhalten. Dies wurde schon lange vermutet, aber erst mit Willow zum ersten Mal erreicht.

Wir testeten immer größere Arrays physischer Qubits, von einem Raster aus codierten 3×3 Qubits über ein Raster aus 5×5 zu einem Raster aus 7×7 – und jedes Mal waren wir mithilfe unserer neuesten Fortschritte bei der Quantenfehlerkorrektur in der Lage, die Fehlerrate zu halbieren.

Google-Abteilung für Quantencomputing

Quelle: Google

Im Wesentlichen summieren sich die Fehler nicht mehr bis zum Zusammenbruch, sondern sie sind jetzt so selten, dass sie mit zusätzlicher Rechenleistung korrigiert werden können, was die Zuverlässigkeit des Ganzen erhöht.

Ein Schlüsselfaktor für Google, um diesen Durchbruch zu erreichen, war eine radikale Verbesserung einer bestimmten Qubit-Leistung, die als „Qubit-Kohärenzzeit“ bezeichnet wird. Dies ist die Zeit, in der das Qubit seinen Kohärenzzustand aufrechterhalten kann, eine Voraussetzung für die Durchführung von Quantenberechnungen.

Willow erreichte einen Kohärenzzustand von 100 Mikrosekunden, im Vergleich zu nur 20 Mikrosekunden beim Sycamore 2019.

Dies ist ein wichtiger Datenpunkt, da die Verbesserung des Kohärenzzustands, die direkt zu exponentiell zuverlässigeren Quantencomputern führt, als die aktuelle Quantenversion des Mooreschen Gesetzes angesehen werden könnte, das die ständige Verbesserung „normaler“ Computer vorangetrieben hat.

Als erstes System unterhalb dieser Schwelle ist dies der bislang überzeugendste Prototyp eines skalierbaren logischen Qubits. Es ist ein starkes Zeichen dafür, dass nützliche, sehr große Quantencomputer tatsächlich gebaut werden können. Willow bringt uns der Ausführung praktischer, kommerziell relevanter Algorithmen näher, die auf herkömmlichen Computern nicht reproduziert werden können.

Google-Abteilung für Quantencomputing

All dies war dank der langfristigen Investition von Google in seine Produktionsanlage für supraleitende Quantenchips möglich.

Vom physischen zum logischen Qubit

Für jede sinnvolle Berechnung muss das Quantencomputing logische Qubits oder die tatsächliche Recheneinheit verwenden, die vom physischen Chip erzeugt wird.

Bei Willows Fehlerrate dürfte jedes logische Qubit aus etwa 1,000 physischen Qubits bestehen. Eine weitere Verbesserung der Fehlerkorrektur könnte diese Zahl sogar auf 200 physische Qubits reduzieren.

Derzeit verfügt Willow über eine Kapazität von 105 Qubits.

Nächste Schritte

Mit diesem Durchbruch rückt die Aussicht auf den Bau eines stabilen, zuverlässigen und skalierbaren logischen Qubits nun in greifbare Nähe. Vor allem, weil das Hinzufügen physischer Qubits die Fehlerrate nun exponentiell reduziert, anstatt sie exponentiell zu erhöhen.

Der nächste Schritt wird höchstwahrscheinlich darin bestehen, den Willow-Nachfolger mit noch mehr Qubits zu bauen und gleichzeitig die Fehlerkorrekturtechnologie zu verbessern. Zusammen könnte dies dazu führen, dass jedes der nächsten Quantenchip-Designs von Google ausreicht, um ein vollständiges logisches Qubit zu erzeugen.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, die logischen Qubits so zu vernetzen, dass sie Quantenzustände teilen und austauschen können.

Erst dann können wir von einem echten Quantencomputer sprechen, der routinemäßig eingesetzt und – was noch wichtiger ist – beliebig skaliert werden kann.

Wir haben zuvor einige Technologien und parallele Durchbrüche besprochen, die die Leistung und Architektur von Quantencomputern über die Verbesserung von Qubits hinaus steigern könnten, zum Beispiel:

• Nanomechanische Resonatoren, um den Quantenzustand besser zu messen, ohne die Qubits zu destabilisieren.
• Supraleitender nichtlinearer asymmetrischer induktiver Elementresonator (SNAIL), um über die Überlagerung von 0- und 1-Zuständen von Qubits hinauszugehen und kontinuierliche Variablen (CV)-Quantencomputer zu entwickeln.
• Bessere supraleitende Materialien, um die Stabilität von Quantencomputersystemen zu verbessern.

Insgesamt ist der Durchbruch von Google wirklich bahnbrechend und stellt eine radikale Weiterentwicklung der Aussichten für Quantencomputer dar, mit dem ersten realistischen Ziel eines skalierbaren kommerziellen Computers.

Doch selbst der Leiter des Quantum AI-Labors von Google, Hartmut Neven, erinnert uns daran, dass dies nicht morgen passieren wird:

„Ein Chip, der kommerzielle Anwendungen ausführen kann, wird nicht vor Ende des Jahrzehnts erscheinen. Zunächst würden diese Anwendungen die Simulation von Systemen sein, bei denen Quanteneffekte wichtig sind.

Beispielsweise ist es relevant, wenn es um die Konstruktion von Kernfusionsreaktoren geht, um das Verständnis der Funktionsweise von Medikamenten und die Entwicklung pharmazeutischer Produkte. Es wäre auch relevant für die Entwicklung besserer Autobatterien und eine lange Liste weiterer solcher Aufgaben.“

Anwendungen

Das Potenzial des Quantencomputings ist enorm und könnte praktisch jedes wissenschaftliche Feld revolutionieren. Einige Anwendungen stechen als besonders wirkungsvoll hervor:

• Biochemische Modellierung: Von der Bestimmung der 3D-Form eines Proteins bis zur Genexpression könnte die Berechnung komplexer biologischer Moleküle bis hin zu den Atomen die biotechnologische Forschung revolutionieren.
• Klimamodellierung: Klimamodelle sind außerordentlich komplex und stoßen an die Grenzen dessen, was aktuelle Supercomputer leisten können. Ein besseres Verständnis des Klimas mit einem feineren Berechnungsmaßstab im Modell, sowohl geografisch als auch zeitlich, könnte zum Verständnis der Risiken des Klimawandels beitragen.
• Halbleiter: Quantencomputer könnten normale Computerchips deutlich leistungsfähiger machen. Da „normale“ Chips mittlerweile die Nanometergröße erreichen, werden Quantenphänomene zunehmend problematisch und um sie zu lösen, könnten Quantencomputer erforderlich sein.
• Werkstoffkunde: Ein besseres Verständnis der Quantenphysik und der Reaktion von Materialien bis hin zu einzelnen Atomen kann neue Designs für Materialien ermöglichen, die in der Luft- und Raumfahrt, bei Batterien, im 3D-Druck, in der Fertigung usw. verwendet werden.
• Cryptography: Quantencomputer könnten möglicherweise alle aktuellen Kryptographiemethoden obsolet machen. Dies ist ein ernstes Problem für Militär-, Finanz- und IT-Systeme. Aber gleichzeitig könnte es die Kryptographie noch sicherer machen.

Risiken

Da Quantencomputer so leistungsstark sind, besteht auch ein erhebliches Missbrauchsrisiko. Das größte Risiko sind die Risiken im Zusammenhang mit der Kryptografie.

Seit Googles Ankündigung zu Willow haben mehrere Kommentatoren darüber diskutiert, wie verheerend die Möglichkeit wäre, die gesamte bestehende Kryptografie zu knacken und damit Kryptowährungen wie Bitcoin zu zerstören.

Theoretisch stimmt das auch. Doch es ist eine eher kurzsichtige Aussage, die eher von einer Reaktion auf den jüngsten Bitcoin-Aufschwung getrieben ist als von einem Blick auf das große Ganze. Das Knacken der Kryptografie von Computern und digitalen Systemen würde die Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Banken- und Finanzsystems gefährden, nicht nur die von Kryptowährungen.

Auch für die globale geopolitische Stabilität und militärische Sicherheit wäre dies verheerend, da alles von der Kommunikation bis zu den Startcodes für Atomwaffen auf sichere Verschlüsselung angewiesen ist. Eine vollständig gebrochene Verschlüsselung könnte es ausländischen Mächten oder böswilligen Akteuren ermöglichen, den Sicherheitsapparat völlig aus dem Gleichgewicht zu bringen.

Das heißt aber nicht, dass es keine Lösungen gibt. So kündigte Apple im Februar 2024 an, dass die Verschlüsselung, die iMessage-Chats schützt, „quantensicher“ gemacht wird, um zu verhindern, dass sie von leistungsstarken zukünftigen Quantencomputern gelesen werden können. Wir können davon ausgehen, dass, wenn Apple auf quantensichere Verschlüsselung umsteigt, dies auch die größten Streitkräfte und Finanzinstitute können.

Wenn man berücksichtigt, dass selbst ein führender Anbieter wie Google noch mehrere Jahre Zeit braucht, um einen kommerziellen Quantencomputer zu entwickeln, sind wir weit entfernt von einer unmittelbar drohenden Katastrophe.

Unternehmen für Quantencomputer

Alphabet Inc.

Wie Sie gesehen haben, ist Google im Bereich des Quantencomputings sehr aktiv, vor allem über sein Google Quantum AI Lab und seinen Quantum AI Campus in Santa Barbara.

Der Quantencomputer von Google schrieb 2019 Geschichte, als Google behauptete, mit seiner Sycamore-Maschine „Quantenüberlegenheit“ erreicht zu haben und in 200 Sekunden eine Berechnung durchzuführen, für die ein herkömmlicher Supercomputer 10,000 Jahre gebraucht hätte.

Dies wird jetzt natürlich durch Willows Leistung in den Schatten gestellt.

Doch der größte Beitrag von Google wird wahrscheinlich im Softwarebereich liegen, einem Bereich, in dem das Unternehmen eine beeindruckende Erfolgsbilanz vorweisen kann, die sogar besser ist als im Hardwarebereich (Suche, GSuit, Android usw.).

Googles Quantum AI stellt bereits eine Software-Suite zur Verfügung, die Wissenschaftler bei der Entwicklung von Quantenalgorithmen unterstützen soll.

Sie plädiert auch offen für „Forscher, Ingenieure und Entwickler können uns auf dieser Reise begleiten, indem sie sich unsere Open Source Software und Bildungsressourcen, einschließlich unserer neuer Kurs auf Coursera, wo Entwickler die Grundlagen der Quantenfehlerkorrektur erlernen und uns dabei helfen können, Algorithmen zu erstellen, die die Probleme der Zukunft lösen können."

Dank dieses offenen Ansatzes und seiner Führungsrolle auch im Hardwarebereich sowie seinen Cloud-Lösungen könnte Google wahrscheinlich zu den Unternehmen gehören, die die Standards für Quantencomputer-Software und Quantenprogrammierung setzen, und damit eine privilegierte Position einnehmen, um die zukünftige Entwicklung dieses Bereichs zu bestimmen.

Und in der Zwischenzeit könnten KI-Lösungen, darunter das selbstfahrende Auto von Waymo, zum neuen Umsatztreiber für Alphabet werden, das in der Such- und Anzeigenbranche immer noch eine massiv dominante Stellung einnimmt.