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Quantenüberlegenheit:Dieser Prozessor soll den schnellsten Supercomputer abhängen

Computer Netzwerkkabel

Googles Fachartikel enthält ein Bild des Sycamore-Prozessor. Das Paper wurde aber wohl versehentlich veröffentlicht. Deshalb zeigen wir als Symbolbild ein Netzwerkkabels. Immerhin leuchtet es geheimnisvoll.

(Foto: dpa)
  • Google-Forscher wollen einen Quantencomputer gebaut haben, der den schnellsten Rechner der Welt abhängt - um ein Vielfaches.
  • Der Fachartikel wurde versehentlich auf der Webseite der Nasa veröffentlicht und ist mittlerweile wieder verschwunden.
  • Das Experiment ist hoch speziell, doch andere Wissenschaftler sprechen bereits von einem historischen Durchbruch.

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. Der Fachartikel ist bislang nicht offiziell publiziert, liegt der Süddeutschen Zeitung aber vor.

Die vornehmlich bei Google beschäftigten Experten wollen die sogenannte Quantenüberlegenheit erreicht haben. Demnach hat der von Googles "AI Quantum Team" entwickelte Prozessor eine bestimmte Berechnung erstmalig schneller durchgeführt als ein klassischer Supercomputer - und zwar um einiges schneller. Während der Quantenrechner die Aufgaben innerhalb von 200 Sekunden löste, würde selbst der derzeit leistungsfähigste Computer ungefähr 10 000 Jahre dafür benötigen.

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Handelt es sich bei dem neuen Rechner nun aber um den lange ersehnten Quantensprung in der Quantenforschung? Stellt der Versuch ein symbolisches Laborexperiment ohne konkrete Anwendung dar?

Das ist derzeit noch unklar. Das liegt auch an der Art und Weise, wie das achtseitige Papier überhaupt an die Öffentlichkeit gelangt ist. Es war vergangene Woche auf der Webseite der amerikanischen Weltraumbehörde Nasa aufgetaucht, kurz darauf verschwand es wieder. Reporter der Financial Times hatten es jedoch rechtzeitig entdeckt und berichteten, Google habe den ersten Quantenprozessor gebaut, der Supercomputer abhänge.

Ein Qubit muss sich nicht entscheiden, ob es 0 oder 1 ist

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. Dadurch sind Quantenrechner sehr fehleranfällig, und man benötigt Korrektur-Qubits, um die Fehler auszugleichen.

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.

Quantencomputer bergen enormes Potenzial

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

Doch der Anfang scheint nun gemacht zu dein. Googles Forscherteam hat einen Prozessor namens Sycamore konstruiert, der aus 54 Qubits besteht. Die Wissenschaftler ließen den Chip zufällig ausgewählte Algorithmen ausführen, deren Berechnung selbst auf Googles gigantischen Servern 50 Billionen Stunden dauern würde. Sycamore benötigte zehn Minuten. Das Experiment ist für sich betrachtet hochtheoretisch und hat kaum praktischen Nutzen. Die Versuchsanordnung gilt aber als geeignet, um die Leistungsfähigkeit von Computern nachzuweisen.

Ob die Ergebnisse der Versuche bereits von unabhängigen Wissenschaftlern begutachtet wurden, ist noch 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 auch bald in einer hochrangigen Fachzeitschrift veröffentlicht werden. Das würde ein Peer-Review-Verfahren voraussetzen, bei dem Gutachter die Qualität der Arbeit überprüfen.

"Das ist ein echter Durchbruch"

Die meisten Quantenforscher zollen Google jedoch schon jetzt Respekt. Will Oliver vom Massachusetts Institute of Technology vergleicht das Experiment mit dem ersten Flug der Gebrüder Wright. Frank Wilhelm-Mauch von der Universität des Saarlandes sieht in der Arbeit einen "Sputnik-Moment"- und 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.

Auch Michael Marthaler, Gründer des Karlsruher Unternehmens HQS Quantum Simulations, hält Googles Forschungsarbeit für bedeutsam. "Meiner Meinung nach ist das groß und wichtig", sagt er. "Alles, was ich bislang im Paper gelesen habe, sieht ordentlich aus. Das ist ein brauchbarer Benchmark und ein echter Durchbruch."

Google habe gezeigt, dass trotz der Fehleranfälligkeit von Quantencomputern ein großer Vorteil erhalten bleibe und praktischer Nutzen entstehen könne. "Es gibt noch keine konkrete Anwendung, aber um überhaupt hoffen zu können, dass wir Anwendungen finden, ist dieses Experiment wichtig." Google habe sich die Arbeit zudem vom anerkannten Quantenforscher Scott Aaronson absegnen lassen, der an der University of Texas at Austin das Quantum Information Center leitet. Das sei ein gutes Zeichen, sagt Marthaler.

Einige Wissenschaflter bleiben skeptisch

Aaronson selbst 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. Doch 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 einige 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."

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