IBM demonstriert Quantenrechnung mit überprüfbarem Quantenvorteil

Forscher von IBM haben eine Quantenberechnung vorgestellt, die klassische Simulationsverfahren praktisch nicht mehr nachvollziehen können.

Bislang diente vor allem das sogenannte Random Circuit Sampling als Testverfahren, um festzustellen, ob Quantencomputer klassische Systeme tatsächlich übertreffen. Dabei erzeugt ein Quantencomputer Muster, die für klassische Rechner kaum effizient nachzubilden sind. Je schwieriger eine solche Berechnung jedoch wird, desto schwerer lässt sich auch nachprüfen, ob das Quantensystem tatsächlich das richtige Ergebnis geliefert hat, in Extremfällen wird eine solche Überprüfung ohne weitreichende Annahmen zur internen Funktionsweise der Maschine praktisch unmöglich. Das Team von IBM und der University of Chicago entwickelte dafür eine strukturiertere Alternative zum klassischen Random Circuit Sampling, bei der sich nachweislich dieselbe rechnerische Schwierigkeit erhält, gleichzeitig aber Fehler bereits während der laufenden Berechnung erkennen lassen.

Bill Fefferman, außerordentlicher Professor an der University of Chicago, ordnete das Ergebnis so ein: Die Überprüfbarkeit bleibe eine der größten Herausforderungen beim eindeutigen Nachweis eines experimentellen Quantenvorteils, das Experiment liefere hierfür neue Methoden, um die Güte schwer erzeugbarer Quantenzustände unter Störeinflüssen besser zu charakterisieren.

Quantenrechnung: 70 logische Qubits, 15 Minuten Rechenzeit

Für die Demonstration nutzten die Forscher 70 sogenannte logische Qubits, bei denen Quanteninformationen über mehrere physische Bauteile hinweg kodiert werden, um Berechnungen gegen störungsbedingte Fehler abzusichern, eine der bislang größten bekannten Demonstrationen dieser Art von Quantenfehlerkorrektur. Das System führte dabei 2.415 logische Zwei-Qubit-Operationen sowie 468 sogenannte logische T-Gatter aus, zwei gängige Maße für die Komplexität einer Quantenschaltung. Durch die gewählte Kodierung sank die effektive logische Fehlerrate auf ein Zehntel der physikalischen Fehlerrate, wodurch die Berechnung trotz der hohen Zahl an Operationen eine hohe Zuverlässigkeit beibehielt. Der eigentliche Rechenlauf dauerte auf dem IBM-Quantencomputer rund 15 Minuten, während führende klassische Simulationsverfahren nach Einschätzung der Forscher dafür unpraktikabel lange Laufzeiten benötigen würden.

Jay Gambetta, Direktor von IBM Research, erklärte, man befinde sich nun eindeutig im Zeitalter des Quantenvorteils. Man habe eine Quantenberechnung jenseits der praktischen Reichweite klassischer Computer demonstriert, die zugleich mit statistischer Sicherheit eine untere Grenze dafür liefere, wie zuverlässig sie tatsächlich ausgeführt wurde. Die zugehörigen Schaltungen und Ergebnisse veröffentlichten die Forscher öffentlich über den sogenannten Quantum Advantage Tracker, die Studie selbst erschien am 27. Juli auf dem Preprint-Server arXiv.

(red)