19 SEKUNDEN GEGEN EIN JAHRHUNDERT SUPERCOMPUTING

Quantenvorteil bedeutet zu zeigen, dass ein Quantencomputer eine Aufgabe erledigen kann, die kein klassischer Supercomputer in vernünftiger Zeit bewältigt. Der Standardtest ist das Sampling von Zufallsschaltkreisen (random-circuit sampling): Man wendet eine Folge zufällig gewählter Quantengatter auf Dutzende Qubits an und misst sie dann. Das Ergebnis ist ein Strom von Folgen aus 0 und 1, gezogen aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, die klassische Computer nur mit enormer Mühe nachbilden können.

Ein wichtiger Punkt: Diese Aufgabe hat keinen praktischen Nutzen. Sie ist ein Benchmark — eine Stoppuhr für rohe Rechenkraft.

Ein Wettlauf auf beiden Seiten

Der Prozessor Sycamore eröffnete das Rennen mit 53 Qubits, gefolgt von Zuchongzhi 2.0 und 2.1, Sycamore mit 67 Qubits und Zuchongzhi 3.0 mit 83 aktiven Qubits. Auf der anderen Seite wurden klassische Algorithmen immer besser und senkten die Kosten für die Nachbildung dieser Experimente um Größenordnungen. Jede Behauptung muss daher genau angeben, mit welcher klassischen Aufgabe sie verglichen wird.

Bisher liefen all diese Demonstrationen auf eigens dafür gebauten Labormaschinen, sorgfältig für den Anlass abgestimmt.

Ein über die Cloud gemieteter Prozessor

Ein Team des Start-ups BlueQubit (San Francisco) nutzte zusammen mit Kollegen der EPFL und der XPRIZE Foundation einen IBM-Nighthawk-r2-Prozessor: 120 supraleitende Qubits auf einem quadratischen Gitter von 12 × 10. Sie griffen über die Cloud darauf zu, mit IBMs Standardwerkzeugen Qiskit und ohne besondere Kalibrierung. Die Autoren sind nicht bei IBM: Sie nutzten die Maschine über IBMs Start-up-Programm und erklären, dass ihre Ansichten nicht die von IBM sind.

Sie verwendeten 61 Qubits — drei wurden wegen ihrer Kalibrierungsdaten ausgelassen —, verbunden durch 102 Koppler.

Das Ergebnis direkt zu überprüfen ist unmöglich: Genau das können klassische Computer nicht. Daher nutzte das Team zwei unabhängige Schätzungen der Fidelität des Schaltkreises:

• einen „Spiegel“-Test: einen Schaltkreis ausführen, dann seine exakte Umkehrung, und prüfen, ob die Qubits zu ihrem Ausgangszustand zurückkehren — ohne jede Simulation;
• einen „Patch“-Test: den Schaltkreis in 3 oder 4 Teile zerlegen, die klein genug zum Simulieren sind, und jedes Teil prüfen.

Die Zahlen

• Die beiden Schätzungen stimmen bei jeder gemessenen Tiefe überein.
• Fidelität pro Zyklus: 0,872, gegenüber 0,836 beim Nighthawk r1 der ersten Generation — nach 32 bis 40 Zyklen mehr als zehnmal besser.
• Der Referenzpunkt: 36 Zyklen, 918 Zwei-Qubit-Gatter, eine Fidelität von etwa 0,0023. Eine Million Stichproben wurde in 19 Sekunden gesammelt.
• Schon eine einzige Ausgabewahrscheinlichkeit klassisch zu berechnen kostet etwa 10²² Operationen — etwa zwei Tage auf dem Supercomputer Frontier.
• Dieselbe Million Stichproben klassisch zu erzeugen: etwa 1,2 × 10²⁷ Operationen, also rund 110 Jahre auf Frontier.
• Das gesamte Experiment beanspruchte etwa 11 Minuten Quantencomputerzeit.
• Bekannte klassische „Tricks“ — den Schaltkreis in Stücke zu schneiden, um die Punktzahl nachzuahmen — bleiben mindestens zehnfach hinter der gemessenen Punktzahl zurück.

Das Kleingedruckte

Die 110 Jahre sind eine Schätzung für einen bestimmten klassischen Algorithmus, keine absolute Grenze. Sie setzt unbegrenzten Speicher voraus, was die klassische Seite begünstigt. Andere Methoden — Rechenarbeit über viele Wahrscheinlichkeiten hinweg wiederverwenden, Näherungssimulationen — könnten die Kosten senken. Und, so schreiben die Autoren, die Geschichte dieses Benchmarks lässt erwarten, dass einige davon es tun werden.

Ein Benchmark, den jeder wiederholen kann

Laut den Autoren ist dies die erste Demonstration eines Quantenvorteils beim Standard-Sampling von Zufallsschaltkreisen auf einem kommerziellen, breit zugänglichen Prozessor, die die meisten Nicht-Experten nachvollziehen können. Die Schaltkreise, die Daten — einschließlich der Million Stichproben — und der Code sind öffentlich.