Selbst der Frontier, einer der schnellsten Supercomputer der Welt, hätte für die Berechnung eines Algorithmus zur Messung von sogenannten Quantenechos über drei Jahre gebraucht, die Googles Quantencomputer mit dem Willow-Chip in nur etwas mehr als zwei Stunden ausführte.
Durchbrüche im Bereich Quantencomputing sind immer noch meist rein theoretisch. Google will nun laut eigenen Aussagen mit einem „Quantum Echoes“ genannten Algorithmus den ersten verifizierbaren Quantenvorteil hervorgebracht haben. Gemeint ist laut Ingenieur.de eine Rechenaufgabe, deren Ergebnis sich von anderen Forschungsgruppen unabhängig voneinander bestätigen lässt.
Die Experimente, die Google zusammen einem Forschungsteam angestellt hat, liefen auf dem bereits bekannten Willow-Chip, der je nach Konfiguration 65 oder 105 Qubits bietet und besonders stabil und fehlerarm laufen soll.
Google zufolge war der Algorithmus auf dem Willow-Chip rund 13.000-mal schneller als der beste klassische Algorithmus auf dem Frontier, bis heute einer der schnellsten Supercomputer. Der hätte laut t3n für die Berechnung, die Googles Quantencomputer in nur etwas mehr als zwei Stunden ausführte rund 3,2 Jahre gebraucht, wie im Fachmagazin Nature beschrieben und es bei 3tn heißt.
Mit dem Schmetterlingseffekt vergleichbar
Quantenechos sind laut Prof. Dr. Klaus Richter von der Universität Regensburg mit Spin-Echos verwandt und dienen etwa der Berechnung der Rückkehrwahrscheinlichkeit eines zeitlich propagierten N-Teilchenzustands in seinen Ausgangszustand.
Hinter dem englischen Namen „Quantum Echoes“ verbirgt sich ein Out-of-Time-Order-Correlator (OTOC) genannter Algorithmus, der als mathematisches Konzept ursprünglich entwickelt wurde, um die Stabilität und Informationsausbreitung in Quantensystemen zu untersuchen. OTOCs beschreiben dabei, wie stark zwei Quantenzustände miteinander verflochten sind, wenn sie zu unterschiedlichen Zeiten gemessen werden, oder vereinfacht gesagt, wie eine kleine Störung im System im Laufe der Zeit anwächst.
Kleine Impulse, große Wirkung: Quantenechos zeigen, wie Störungen sich in hochvernetzten Quantensystemen ausbreiten. (Bildquelle: Unsplash / Alessandra Wolfsberger)
So erklärt ein junger Wissenschaftsjournalist von Ingenieur.de den Sachverhalt und vergleicht das mit dem „berühmten Schmetterlingseffekt in der Chaostheorie, nur im Maßstab einzelner Quanten“.
Das Experiment läuft dabei ihm zufolge in mehreren Phasen ab: Auf Vorwärtsoperationen folgen gezielte Störungen durch bewusste Manipulation der Qubits, die sich im ganzen Prozessor ausbreiten, weil alle Qubits miteinander verschränkt sind. In Rückwärtsoperationen werden dann alle Operationen in umgekehrter Reihenfolge wiederholt oder „zurückgespult“, um den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen.
Schließlich wird der Zustand erneut ausgelesen und lässt sich das resultierende „Echo“ messen, um zu zeigen, wie stark sich die ursprüngliche Information durch Rauschen oder durch Wechselwirkungen verändert hat.
Ein Zeitspiegel mit NMR-Messung als erstes Testfeld
Das Quantenecho liefere also quasi eine Art „Zeitspiegel“. Google und ein internationales Forschungsteam haben mit dem Kernspinresonanz- oder kurz NMR-Messverfahren, mit dem sich atomare Strukturen und Bindungen in der Chemie oder Medizin bestimmen lassen, auch schon eine erste Anwendung gefunden.
Google „Quantum Echoes“ dienten dabei als eine Art „molekulares Lineal“ für die präzise Vermessung der Abstände und Kopplung zwischen Atomen. Bei dem Test kamen Moleküle mit 15 und 28 Atomen zum Einsatz.
Die Ergebnisse stimmten mit denen etablierter NMR-Verfahren überein, brachten darüber hinaus aber auch Informationen über chemische Strukturen hervor, die herkömmliche Methoden nicht liefern können. Google nennt es „Quantum-Scope“ in Anspielung auf Teleskope und Mikroskope, die in neue Dimensionen des Sichtbaren vordringen können.
Der Suchmaschinen-Riese rechnet damit, dass auf Basis der Forschung mit dem „Quantum-Echoes“-Algorithmus innerhalb von fünf Jahren schon reale Anwendungen in der Entwicklung neuer Medikamente und Materialien möglich sein werden.
Der Physik-Nobelpreisträger Michel Devoret, leitender Wissenschaftler bei Google Quantum AI, spricht von einem Meilenstein und sagt laut Ingenieur.de: „Diese neue Arbeit präsentiert den Quantencomputer als Werkzeug, um molekulare Strukturen aufzudecken – nicht nur in der NMR, sondern künftig vielleicht auch in der Quantensensorik.“
Quelle Titelbild: Unsplash / Shubham Dhage