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)

Bei einem Auftritt an der TU München wirbt Richard Stallman dafür, freie Entscheidungen nicht auf dem Altar möglicher digitaler Bequemlichkeiten zu opfern. Vor rund 400 Zuschauern fordert der Gründer der Free Software Foundation (FSF) Studentinnen und Studenten auf, nur freie Software einzusetzen und zu entwickeln.

Staaten könnten es sich gar nicht leisten, ihre Souveränität an große Konzerne abzugeben, betont Stallman vor einem vollen Hörsaal. „Das sollten wir bekämpfen. Wir sollten dafür sorgen, dass unsere staatlichen Institutionen souverän bleiben.“ Die Stadt München werde mit der Abkehr vom freien LiMux ihrer Verantwortung für die Unabhängigkeit der Verwaltung nicht gerecht.

Der 72-Jährige, der mit dem freien Texteditor GNU Emacs und den für die „vier Freiheiten“ des Programmierens essenziellen Lizenzmodellen den Weg für GNU/Linux ebnete, tourt aktuell durch Europa. In München gastierte er an der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und der Technischen Universität, wo zwar viel freie Software für den Eigenbedarf entsteht, zugleich aber auch proprietäre Programme wie Microsoft 365 weiter gefördert werden.

Kompromisslosigkeit, bitte!

„Vielleicht werden Sie von Ihrer Universität aufgefordert, nicht-freie Software zu nutzen. Lehnen Sie das ab“, forderte Stallman in der ihm eigenen radikalen Art. Wo proprietäre Software für Prüfungen notwendig sei, sollten die Universitäten gefordert werden, eigene Systeme anzubieten.

Bei proprietären Konferenzsystemen solle man sich um Proxying- oder Gateway-Lösungen bemühen. „Finden Sie jemanden, der Sie über seine Verbindung mit in die Konferenz holt“, meint Stallman.

„Nicht-freie Software erzeugt Monopole und sorgt dafür, dass Millionen von Nutzern nicht von einem Wettbewerb profitieren können“, mahnt Stallman. Die Free Software Foundation, die die Freiheit für den User – den ganz normalen und den Entwickler – hochhalte, sei kapitalistisch im besten Sinn: „Sozialismus sowjetischer Machart finden Sie bei den Big-Tech-Unternehmen.“

Libre Phone, Libre LLM?

Stallman gibt sich vorsichtig optimistisch, was freie Alternativen etwa für Mobilbetriebssysteme oder Large-Language-Modelle (LLMs) anbetrifft. Das kürzlich angekündigte Projekt Libre Phone soll allerdings wie schon sein Vorgänger Replicant auf der Codebasis von „teilfreien“ Android-Derivaten aufbauen. „Wir hoffen, mit Libre Phone Replicant zum Fliegen zu verhelfen“, sagt Stallman.

Googles angekündigte Identifizierungspflicht für App-Entwickler geißelt Stallman als Todesurteil für freie Apps in der App-Store-Alternative F-Droid. Offenbar traut Stallman den Beteuerungen von Google nicht, dass Sideloading für Apps erhalten bleibe.

Auch bei Künstlicher Intelligenz (KI) will die FSF-Community Kriterien für freie Alternativen entwickeln. Man stehe kurz vor einer Veröffentlichung, kündigt Stallman an. Zugleich appelliert er an das Münchner-Publikum, klar zu differenzieren zwischen Machine Learning und Chatbots.

Bullshit-Generatoren

Auf Machine Learning fußende Programme könnten intelligent sein, in einem beschränkten Bereich, und bestimmte Aufgaben so gut wie Menschen erledigen. Chatbots seien dagegen lediglich „Bullshit-Generatoren“, die künstlich „Äußerungen bar jeglicher Achtung für die Wahrheit“ erzeugten.

Mehrfach wurde der FSF-Gründer auf Münchens Rückkehr in die Arme von Microsoft angesprochen. Stallman äußerte dazu die Vermutung, die Stadt habe sich korrumpieren lassen durch Microsofts Zusagen, sein Entwicklungszentrum in der Stadt anzusiedeln. Langfristig gedacht sei das wegen entstehender Abhängigkeiten nicht, meint der Entwickler.

Eher einen Negativtrend konstatiert Stallman bei der Idee, auch die Designs für freie Hardware zu schaffen. Eigene Designs für freie CPU-Boards seien durchaus machbar, selbst designte, freie Chips aber eben viel zu teuer. Damit bleiben die Chips als proprietäre Schranke: „Wir können nicht mal einen freien Compiler für Nvidia-GPUs schreiben, weil wir ihren Befehlssatz nicht kennen.“

Hier gibt es eine Aufzeichnung des Vortrags bei der TU München.

(vbr)

Montagmorgen kam es in einem Amazon-Rechenzentrum im US-Staat Virginia zu einer Störung. Schuld waren Probleme mit dem Domain Name System (DNS). Die Auswirkungen der „erhöhten Fehlerraten und Latenzen bei den AWS Services in der US-EAST-1-Region“ waren weltweit zu spüren. Zahlreiche Internet-Dienste ließen sich zeitweise nur eingeschränkt oder gar nicht nutzen. Darunter auch Matratzen.

Das belegen Beschwerden diverser Kunden der New Yorker Firma Eight Sleep. Sie verkauft unter der Bezeichnung „Pod“ vernetzte Matratzen, die irreführend als „smart“ bezeichnet werden. Diese Schlafunterlagen zeichnen sich durch ihren hohen Preis aus. In Deutschland geht es bei 2.849 Euro für die Matratze los, zuzüglich mindestens 17 Euro für das monatliche „Autopilot“-Abonnement, gerne nimmt Eight Sleep auch 33 Euro monatlich. Dafür erhält der Schläfer statistische Auswertungen, eingebaute Heizung und Kühlung, sowie einen Motor, der bestimmte Bereiche der Matratze verformen kann. Damit können Bettbenutzer im Bett beispielsweise besser sitzen.

Was im Preis bislang nicht inbegriffen ist, ist ein Offline-Modus der Matratze. Als das AWS-Rechenzentrum in Virginia ausfiel, betraf das auch die Matratzen-Server Eight Sleeps. Damit wurde die Steuerapplikation der Matratzen funktionslos. Wer seine Matratze aufgerichtet hatte, konnte sie und damit sich selbst nicht mehr flachlegen. Auch die Kühlung konnte nicht aktiviert werden, womit manchen Müden die Nacht zu heiß wurde.

Gleichermaßen blieb die etwaig aktivierte Matratzenheizung auf dem eingestellten Heizniveau stecken, was ebenfalls Beschwerdepostings in Sozialen Netzen zur Folge hatte. Warum die überhitzten Schlafwilligen ihrer Matratze nicht einfach den Stecker gezogen haben, erklären sie nicht.

Dafür erklärt der Chef der Firma Eight Sleep sein Bedauern und verspricht, rund um die Uhr an einem Offline-Modus arbeiten zu lassen. Die Matratzen-Innovation kennt kein Ende!

(ds)