Die Quanten-Überlegenheit

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Die Quanten-Überlegenheit ist der nächste große Meilenstein in der Entwicklung aktueller Quantencomputer. Die Quanten-Überlegenheit soll den Punkt in der Computer-Geschichte markieren, an dem ein Quantencomputer erstmals nachweislich alle herkömmlichen Supercomputer für ein bestimmtes Problem überflügelt.

John Preskill vom California Institute of Technology (Caltech), einer der führenden Wissenschaftler in der Quantencomputer-Szene, hatte die Schallmauer für die Quanten-Überlegenheit bzw. die „Quantum Supremacy“ 2012 berechnet i. Ab einer Quantencomputergröße von 49 oder 50 Qubit sollte ein Quantencomputer in der Lage sein gewisse Berechnungen schneller auszuführen als jeder herkömmliche Supercomputer.

Preskill gab aber keine Vorgaben, wie nützlich diese Berechnungen für uns sein müssten. Stattdessen legte er die Grenze der Quanten-Überlegenheit wohl auch deshalb fest, um der Quantencomputer-Szene ein Nahziel zu geben. Und so gesehen hatte er damit auch Erfolg: Die Tech-Riesen Google, IBM, Intel & Co, sowie D-Wave stehen aktuell im Wettrennen, wer als erster die prestigeträchtige Quanten-Überlegenheit erreicht hat.

Für Google war der Nachweis für das Jahr 2017 fest angepeilt, allerdings verfehlten sie dieses Ziel. Alle Zeichen deuten darauf hin, dass der Nachweis der Quanten-Überlegenheit trotzdem kurz bevor steht. Google, Intel und IBM haben jeweils eigene „Quanten-Überlegenheit-fähige“ Quantencomputer im Testbetrieb.

Bei dem Nachweis der Quanten-Überlegenheit geht es zunächst eher um ein „Proof of Concept“. Ein Beweis, dass die prinzipielle Überlegenheit der Quantencomputer nicht nur auf dem Papier existiert, sondern real erzielt werden kann. Ein besonders vielversprechendes Forschungsgebiet hierfür sind chaotische Quantensysteme.

Klassische chaotische Systeme, wie das Wetter, gehören zu den rechenintensivsten Problemen überhaupt. Chaotische Quantensysteme toppen dies noch: Selbst kleine Systeme können nicht mehr mit herkömmlichen Supercomputern simuliert werden, weil das Problem nicht vereinfacht werden kann, wie es bei anderen Quantenproblemen teilweise möglich ist.

Im Gegensatz dazu sind Quantencomputer für das Problem ein natürliches Terrain. Besonders die Gruppe um John Martinis bei Google steckt große Erwartungen in die Ausarbeitung ii. Sie nennen es: Sampling von Zufallsschaltungen. Das Interesse erscheint auf der einen Seite arg akademisch. Auf der anderen Seite wäre der Nachweis, dass die Quanten-Überlegenheit nicht nur auf dem Papier existiert, ein echter Meilenstein. Vergleichbar vielleicht mit dem experimentellen Nachweis der Bellschen Ungleichungen 1982, die zum ersten Mal bewiesen, dass die Quantenmechanik nicht mit unentdeckten, klassischen Mitteln erklärt werden kann.

Das Interesse an dem Sampling-Thema bekam 2018 durch den namhaften Computerwissenschaftler Scott Aaronson von der University of Texas eine ungewöhnliche Wendung. Aaronson überraschte die Fachwelt mit einem Artikel über das Sampling von Zufallsschaltungen iii. Darin skizziert er ein Protokoll für „quantenzertifizierte“ Zufallszahlen, das speziell für die erste Generation von Quanten-Überlegenheit-fähigen Quantencomputer zugeschnitten ist.

Zufallszahlen sind für viele Algorithmen und für viele Bereiche in der Informatik essentiell wichtig: Besonders für die Kryptographie. Nicht zuletzt im NSA-Skandal wurde offensichtlich, dass kompromittierte Zufallszahlen für die Übertragungssicherheit ein reales Problem sind. Quantenzertifizierte Zufallszahlen besitzen die erstaunliche Eigenschaft, dass diese nachweislich echte Zufallszahlen sind, selbst wenn das erzeugende System unsicher und der Herausgeber nicht vertrauenswürdig ist.

John Preskill selbst, der die Quanten-Überlegenheit-Grenze 2012 erdacht hatte, wird gerne als „geläuterter Teilchenphysiker“ bezeichnet: Früher beschäftigte er sich mit der Physik der Teilchenbeschleunigern und der Kosmologie. Einem breiteren Publikum wurde er bekannt durch eine berühmte Wette mit dem legendären Physiker Stephen Hawking über das Informationsparadoxon von Schwarzen Löchern. Eine Wette, die er übrigens Jahre später gewann. So erhielt er von Hawking eine Ausgabe von „Total Baseball, The Ultimate Baseball Encyclopedia“ iv.

Laut Preskill gibt es in der Physik diverse Grenzbereiche: Die Stringtheorie, die Physik der Gravitationswellen, die Physik der schwarzen Materie und der schwarzen Energie im Weltall, die Physik der allerkleinsten Elementarteilchen und deren Grundkräfte. Preskill erkannte um die Jahrtausendwende, dass sich ein weiteres Grenzgebiet in der Physik abzeichnete: Die Quantenkomplexität. Also die Art wie Information in komplex verschränkten Quantenzuständen kodiert ist v. Die Quantenkomplexität manifestiert sich in den Quantencomputern und wird durch diese tatsächlich greif- und kontrollierbar.

So sattelte Preskill vor gut 20 Jahren auf die Quanteninformationstheorie um und ist seitdem eine der treibende Kräfte und ein Aushängeschild der Quantencomputer-Szene. Passenderweise heißt seine Position am Caltech „Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics“. Somit ist Preskill quasi auch der offizielle Nachfolger des legendären Urvaters der Quantencomputer.

i https://arxiv.org/abs/1203.5813: wissenschaftliche Arbeit von John Preskill „Quantum computing and the entanglement frontier“

ii https://arxiv.org/abs/1608.00263: wissenschaftliche Arbeit von John Martinis et al „Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices“

iii https://simons.berkeley.edu/talks/scott-aaronson-06-12-18: Vortrag „Quantum Supremacy and its Applications“ von Scott Aaronson zu seinem Protokoll für „quantenzertifizierte“ Zufallszahlen

v https://www.youtube.com/watch?v=MuklWupCvWU: Vortrag von John Preskill “Quantum Information and Spacetime”