Das Ergebnis gilt als wissenschaftlicher Meilenstein und wurde heute in der renommierten Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Der Begriff „Quantum Supremacy“ bezeichnet den Moment, an dem ein Quantencomputer erstmals herkömmlichen Rechner bei einer bestimmten Aufgabe überlegen ist. Googles Quantenprozessor löste ein Problem innerhalb von 200 Sekunden, für das der schnellste Superrechner der Welt ungefähr 10.000 Jahre benötigen würde. Forscher des Jülich Supercomputing Centre (JSC) unter der Leitung von Prof. Kristel Michielsen trug mittels Simulationen auf dem Jülicher Supercomputer JUWELS dazu bei, die Ergebnisse zu verifizieren und die Leistung des Quantenprozessors zu bestimmen.
Bereits in den 1980er Jahren sagte der Physiker Richard Feynman voraus, dass Quantencomputer bestimmte Probleme, beispielsweise die Simulation von Quantensystemen in der Physik und Chemie, viel schneller lösen können als herkömmliche Rechner. „Der Nachweis dieser These galt schon immer als Herausforderung. Der dafür benötigte Quantenprozessor muss einerseits ausreichend groß dimensioniert sein und gleichzeitig eine geringe Fehlerrate aufweisen. Und es muss ein Problem gefunden werden, das für einen konventionellen Superrechner schwierig, für einen Quantencomputer aber einfach zu lösen ist“, erklärt Kristel Michielsen.
Experten von Google hatten eigens zu diesem Zweck einen Quantenprozessor mit der Bezeichnung „Sycamore“ hergestellt, der über 53 funktionsfähige Qubits – das Gegenstück zu klassischen Bits in einem Quantencomputer – verfügt. Als Aufgabe für das Benchmarking wählten sie das Auslesen und Auswerten einer Zufalls-Quantenschaltung, die Qubits auf zufällige Art und Weise transformiert. Der Auslesevorgang erzeugt eine Reihe von Bitstrings, zum Beispiel 0000101 oder 1011100, von denen einige häufiger auftreten als andere. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung ähnelt einem sogenannten Specklemuster, also einem Wellenmuster, das entsteht, wenn Laserlicht an einer rauen Oberfläche gestreut wird. Wenn man versucht, das Auslesen von Werten aus einer solchen Wahrscheinlichkeitsverteilung auf einem konventionellen Computer zu simulieren, steigt der Rechenaufwand mit jedem Qubit und jedem Arbeitszyklus exponentiell.
Um die Leistung von Googles Quantenprozessor zu bestimmen, nutzten die Forscher ein Verfahren, das als Cross-Entropy-Benchmarking bezeichnet wird. Dabei wird verglichen, wie häufig sich Bitstrings experimentell beobachten lassen, und wie hoch die Wahrscheinlichkeit für ihr Auftreten ist. Im Bereich der Quantenüberlegenheit nimmt der Rechenaufwand für dieses Cross-Entropy-Benchmarking auf einem konventionellen Superrechner unrealistische Ausmaße an.
Der gigantische Aufwand für die Berechnung hängt nicht nur mit der Anzahl der Qubits zusammen, sondern auch mit der Komplexität der jeweils verwendeten Quantenschaltung. Die Forscher brachten auf Googles Quantenprozessor gleich mehrere Schaltungen mit 53 Qubits zum Laufen, die sich nicht mehr auf Superrechnern simulieren lassen. „Sycamore“ benötige gerade einmal 200 Sekunden, also rund dreieinhalb Minuten, um eine solch komplexe Quantenschaltung 1 Million Mal auszulesen. Ein aktueller Superrechner würde für die entsprechende Aufgabe dagegen 10.000 Jahre benötigen – der Zustand der Quantenüberlegenheit, ein Meilenstein auf dem Gebiet des Quantencomputing, ist damit erreicht.
Für die Simulation der Quantenschaltungen wurden verschiedene Algorithmen und Codes auf SUMMIT, dem aktuell leistungsstärksten Supercomputer der Welt, Google Cloud-Servern und dem Jülicher Supercomputer JUWELS implementiert. Forscher des Jülich Supercomputing Centre trugen mithilfe der Simulationssoftware JUCS dazu bei, die Leistung von Quantenschaltungen mit bis 43 Qubits zu bewerten. Die Abkürzung JUCS steht für Jülich Universal Quantum Computer Simulator, mit dem Code hatten die 2018 einen Weltrekord in der Simulation von Quantenschaltungen mit bis zu 48 Qubits aufgestellt.
