Ein Forschungsteam von Google Quantum AI hat einen neuen Quantenalgorithmus entwickelt, der einen verifizierbaren Quantenvorteil gegenüber herkömmlicher Hardware ermöglichen soll. Der Algorithmus trägt den Spitznamen Quantum Echoes und soll auf Googles Quantenchip Willow 13.000-mal schneller laufen als der beste bekannte klassische Algorithmus auf den schnellsten Supercomputern.

Die Ergebnisse präsentiert die Gruppe in einer Publikation im Fachmagazin Nature. Ein zur gleichen Zeit erschienenes Manuskript auf dem Preprint-Server arXiv soll die erfolgreiche Anwendung von Quantum Echoes im Bereich der NMR demonstrieren.

Rezepte für Quantencomputer

Quantencomputer versprechen bei bestimmten Aufgaben einen enormen Rechenvorteil im Vergleich zu herkömmlichen oder auch Supercomputern. Damit die Quantenrechner aber einen Vorteil liefern, benötigen sie spezielle Quantenalgorithmen, die Quanteneffekte geschickt ausnutzen, um ein Problem effizient zu lösen. Verbreitet ist der Shor-Algorithmus, der das mathematische Problem löst, auf dem ein Großteil der heute etablierten Verschlüsselungsverfahren basiert. Damit könnte es Quantencomputern also eines Tages gelingen, in kürzester Zeit komplexe Verschlüsselung zu knacken.

Das sogenannte Random Circuit Sampling (RCS) ist ein weiterer Quantenalgorithmus, den Unternehmen wie Google häufig nutzen, um die Leistungsfähigkeit ihrer Quantenchips zu demonstrieren. RCS wurde allerdings speziell dafür konstruiert, die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu testen. Somit ist RCS als reiner Benchmark zu verstehen, da der Algorithmus kein Problem löst, das für reale Anwendungen nützlich wäre.

Nicht so Googles neuer Quantenalgorithmus Quantum Echoes. Dieser testet nicht einfach nur die Komplexität, sondern auch die Präzision einer Quantenrechnung. Das Team verkündet, dieser Algorithmus könne bei der Lösung von realen Problemen helfen, die etwa in der Medikamenten- oder Fusionsforschung eine Rolle spielen.

Quantum Echoes soll außerdem einen verifizierbaren Quantenvorteil liefern. Das bedeutet, dass andere Forschungsgruppen den Algorithmus auf ihren eigenen Quantenrechnern ausführen, das Ergebnis des Willow-Prozessors reproduzieren und so bestätigen können. Eigenen Angaben zufolge hat Google ein unabhängiges Team beauftragt, Schwachstellen in ihrem Algorithmus zu finden, um so die Performance zu bestätigen.

So funktioniert Quantum Echoes

Der technische Name von Quantum Echoes lautet eigentlich „Out-of-order Time Correlator (OTOC) Algorithm“. Vereinfacht gesagt ist Quantum Echoes ein Algorithmus, um die Zeit zurückzudrehen und so die Eigenschaften von Quantencomputern besser zu verstehen, Störungen nachzuverfolgen oder umzukehren.

Dafür führen die Wissenschaftler zuerst eine Reihe von Operationen auf dem Quantenchip aus. Dann stören sie eines der Qubits und diese Störung breitet sich im Quantencomputer aus. Anschließend kehren sie die Operationen um, sie führen also die Operationen aus dem ersten Schritt rückwärts in umgekehrter Reihenfolge durch – wie bei einem Echo, daher der Name des Algorithmus. Zuletzt lesen sie die Informationen aus.

Das Ergebnis verrät den Forschern, wie sich Quanteninformation und klassisches Rauschen im Quantencomputer ausbreiten. Üblicherweise sind diese beiden Effekte schwierig auseinanderzuhalten, weil alle Elemente des Quantencomputers miteinander verknüpft sind und sich verschiedene Effekte überlagern. Ihr Algorithmus verrät den Forschern, wie sich Quanteninformation in komplexen Systemen mit vielen Teilchen ausbreitet.

So können die Forscher Einblicke in mikroskopische Eigenschaften des Quantensystems gewinnen, die ein klassischer Computer nicht berechnen kann. Darin sieht das Team einen möglichen Baustein für künftige Beweise eines echten Quantenvorteils. Der Algorithmus selbst zeigt in der Nature-Publikation jedoch keinen Quantenvorteil und löst kein reales Problem.

Erste Anwendungen in der NMR

Eine tatsächliche Anwendung schlägt das Team in einem begleitenden Manuskript auf arXiv vor. Die Arbeit basiert auf einer Kollaboration mit Forschungsgruppen aus den USA, dem Vereinigten Königreich, Kanada und Australien. Die Anwendung stammt aus dem Bereich der Kernspinresonanz (NMR, für Nuclear Magnetic Resonance). NMR ist die Grundlage für die Magnetresonanztomografie (MRT), sowie viele weitere Präzisionsmessmethoden in der Chemie, Medizin oder Geophysik.

Im betrachteten Beispiel könne Quantum Echoes als „molekulares Lineal“ dienen, um Abstände sehr präzise zu messen und Informationen über chemische Strukturen zu gewinnen. Das Team untersuchte in ihrer Arbeit zwei Moleküle mit 15 beziehungsweise 28 Atomen. Die Berechnungen mit Googles Willow stimmten mit den Vorhersagen der klassischen NMR überein. Quantum Echo liefere jedoch zusätzliche Informationen, die NMR allein nicht liefern könne.

Bessere NMR ist für viele Bereiche relevant, wie die Pharmaforschung oder Materialentwicklung, um die molekulare Struktur in Medikamenten oder Baustoffen besser und schneller zu verstehen. Die Ergebnisse des arXiv-Manuskripts wurden noch nicht von unabhängigen Experten geprüft.

„Diese neue Arbeit präsentiert den Quantencomputer als Tool, um molekulare Strukturen aufzudecken, nicht nur in der NMR, sondern in der Zukunft vielleicht auch in der Quantensensorik“, sagt Michel Devoret während einer Vorab-Präsentation der Ergebnisse. Das Team nutzt den Begriff „Quantum-Scope“, um die Weiterentwicklung von Teleskopen und Mikroskopen anzudeuten.

Devoret gewann kürzlich den Physik-Nobelpreis für die physikalischen Grundlagenexperimente, die heute die Basis für supraleitende Qubits bilden. Dies sind die Bausteine, aus denen Unternehmen wie Google oder auch IBM und das europäische IQM Quantencomputer konstruieren. Devoret ist leitender Wissenschaftler für Quantenhardware bei Google Quantum AI.

Ein echter Quantenvorteil?

Bereits 2019 verkündete ein Forscherteam von Google, mit ihrem damaligen Quantenchip Sycamore einen Quantenvorteil demonstriert zu haben. Der Chip soll ein Problem in wenigen Minuten gelöst haben, für das ein herkömmlicher Supercomputer 10.000 Jahre gebraucht hätte. Kurz darauf wurde dieser Erfolg relativiert, als Forscher einen Weg fanden, die gleiche Rechnung mit einem effizienteren Algorithmus in wenigen Minuten auf einem herkömmlichen Computer zu lösen.

„Dieses Rennen zwischen klassischem und Quantencomputing ist ganz normal. All diese Geschwindigkeits-Vorhersagen sind Momentaufnahmen. Wir haben schon damals erwartet, dass Entwickler klassische Algorithmen beschleunigen“, sagt Hartmut Neven. „Wir erwarten, dass das auch in diesem Fall passieren wird. Aber auch die Quantentechnologie entwickelt sich weiter und die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern wird weiter steigen.“

Ausblick

Google zeigt sich optimistisch, innerhalb von fünf Jahren relevante Probleme mithilfe Quantencomputern lösen zu können, die kein klassischer Computer lösen könne. Mit der Entwicklung größerer, fehlerkorrigierter Quantenrechner erwartet das Unternehmen auch, dass mehr reale Anwendungen für Quantencomputer entdeckt werden. Aktuell fokussiere sich das Team darauf, seinen dritten Meilenstein zu erreichen: ein langlebiges, logisches Qubit.

(spa)