Rechenarbeit von 2,5 Milliarden Jahren in 200 Sekunden: Ein chinesischer Quantensimulator könnte erstmals eindeutig die Überlegenheit der Quanten über klassische Rechner demonstriert haben. Das optische Quantensystem ermittelte die Verteilung von Photonen in der sogenannten Gaußschen Bosonen-Probe – eine für Supercomputer nahezu unlösbare Aufgabe. Damit könnte dieses System weit deutlicher als jüngst Google das Supremat der Quanten bewiesen haben.
Quantencomputer können komplexe Aufgaben weit schneller lösen als herkömmliche Rechner. Denn dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Überlagerung und Verschränkung können ihre Qubits mögliche Lösungen einer Aufgabe parallel durchspielen und errechnen. Dadurch werden sie selbst den leistungsstärksten Supercomputern irgendwann überlegen sein – theoretisch.
Eine erste Demonstration dieser Quanten-Überlegenheit könnte im Jahr 2019 der von Google entwickelte Quantencomputer „Sycamore“ geliefert haben. Der auf 53 supraleitenden Qubits basierende Quantenrechner löste in wenigen Minuten eine komplexe Wahrscheinlichkeitsrechnung. Kritiker, unter anderem von Konkurrent IBM wandten jedoch ein, dass Supercomputer mit entsprechend angepassten Algorithmen kaum langsamer und vielleicht sogar bald schneller sein könnten.
Wie lässt sich Quanten-Überlegenheit eindeutig belegen?
Ein eindeutiger Beweis des „Supremants der Quanten“ stand daher noch aus. Nach Ansicht vieler Physiker wäre dies beispielsweise die Berechnung einer Aufgabe, die für klassische Computer nahezu unmöglich zu lösen wäre – selbst wenn man künftige Weiterentwicklungen von Algorithmen mit einbezieht. Eine solche Aufgabe ist die sogenannte Gaußsche Bosonen-Probe (Gaussian Boson Sampling, GBS). Bei dieser müssen Verteilung und Zustand beispielsweise von verschränkten Photonen nach dem Durchlaufen eines optischen Netzwerks kalkuliert werden.
„Die Dimensionen der verschränkten Zustände wachsen dabei exponentiell mit der Zahl der Photonen und ihren möglichen Zuständen“, erklären Han-Sen Zhong von der Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei und seine Kollegen. Die möglichen Lösungen übersteigen dadurch die Kapazität klassischer Rechner sehr schnell.
Optisches Quantensystem löst Bosonen-Probe in 200 Sekunden
Genau diese Aufgabe könnte nun ein von Zhong und seinem Team entwickelter Quantensimulator gelöst haben. Das „Jiuzhang“ getaufte System nutzt Photonen als Qubits und löst die Bosonen-Probe, indem es einfach selbst alle Möglichkeiten durchspielt und dann misst. Dafür speisten die Forscher Photonen in Form von Laserpulsen in das System ein und brachten sie in einem optischen Kristall-Netzwerk zur Interaktion. Die resultierende Verteilung und Zustände der Lichtteilchen ermittelte der Quantensimulator anschließend mit 100 Einzelphoton-Photosensoren.
Der Test ergab: Um die Lösungen für diese Gaußsche Bosonen-Probe zu finden, brauchte der Jiuzhang-Quantensimulator 200 Sekunden. Für TaihuLight, den drittschnellsten Supercomputer der Welt, wäre diese Aufgabe dagegen weitgehend unlösbar: „Wir schätzen, dass TaihuLight für die gleichen Zahl von Proben 80 Billiarden Sekunden benötigen würde – das entspricht 2,5 Milliarden Jahren“, konstatieren Zhong und seine Kollegen.
Überlegenheit der Quanten demonstriert
Nach Ansicht der chinesischen Forscher haben sie damit die Überlegenheit ihres Quantensystems über herkömmliche Supercomputer demonstriert. „Wir haben gezeigt, dass wir Photonen, die fundamentalen Grundeinheiten des Lichts, nutzen können, um eine auf Quanten basierende Rechenleistung zu demonstrieren, die ihre klassischen Gegenparts weit übertrifft“, konstatiert Zhongs Kollege Jian-Wei Pan.
Ähnlich sieht dies auch der nicht beteiligte Physiker Ian Walmsley vom Imperial College London: „Dies ist in jedem Fall eine echtes Tour de Force und ein wichtiger Meilenstein“, kommentiert er in „Nature News“. Weil das Experiment dem theoretischen Entwurf der Gaußschen Bosonen-Probe sehr nahe komme, sei es zudem unwahrscheinlich, dass dafür jemals ein besserer Algorithmus für klassische Computer gefunden werde.
Noch ist es „nur“ ein Quantensimulator
Allerdings gibt es einen großen Haken: Das chinesische Jiuzhang-Quantensystem ist nicht programmierbar. Es wurde allein für die Lösung dieses einen Problems entwickelt und konstruiert. Insofern ist Jiuzhang eher ein Quantensimulator als ein vollwertiger Quantencomputer. Er ähnelt damit spezialisierten Simulatoren, mit denen Forscher bereits Vakuumfluktuationen oder statistische Zukunftslinien kalkuliert haben.
Doch sollte es Zhong und seinem Team gelingen, ihr Quantensystem zu einem programmierbaren Quantenrechner weiterzuentwickeln, dann könnten optische Quantencomputer nicht nur klassische Supercomputer, sondern möglicherweise auch Quantenrechner mit supraleitenden Qubits überflügeln. (Science, 2020; doi: 10.1126/science.abe8770)
Quelle: Science, Nature News
