Der Wettlauf um die Nutzung des Quantencomputings hat gerade eine deutliche Beschleunigung erfahren. Google hat kürzlich einen bedeutenden Durchbruch mit seinem Willow-Quantenchip und einer neuen Methode namens Quantum Echoes-Algorithmus bekannt gegeben. Diese Errungenschaft rückt das Feld näher an das heran, was Forscher als „praktischen Quantenvorteil“ bezeichnen. Letzteres ist der Punkt, an dem Quantencomputer sinnvolle reale Probleme lösen können, die von den besten klassischen Supercomputern einfach nicht in angemessener Zeit gelöst werden können.
Googles Experiment beinhaltete eine komplexe physikalische Simulation. Dabei wurde ein subtiles Quantenphänomen gemessen, das als Out-of-Time-Order-Korrelator zweiter Ordnung (OTOC) bekannt ist. Laut Google führte sein Quantengerät die Berechnung über 13.000 Mal schneller durch als der Frontier-Supercomputer. Frontier gilt derzeit als die leistungsstärkste klassische Maschine der Welt. Um das ins rechte Licht zu rücken: Für die Aufgabe benötigte der Quantenchip etwas mehr als zwei Stunden, während der Supercomputer schätzungsweise 3,2 Jahre Dauerbetrieb benötigt hätte.
Quantenechos: Google demonstriert reale Quantenanwendung
Der Schlüssel zu dieser Geschwindigkeit ist der Quantum Echoes-Algorithmus selbst. Die Technik nutzt die einzigartigen Eigenschaften von Qubits – dem Quantenäquivalent binärer Bits – die in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren können.
Der Prozess ist konzeptionell einfach. Das Team sendet ein spezifisches Signal in das Quantensystem (den Willow-Chip), führt eine kleine Störung ein und führt dann die gesamte Signalentwicklung zeitlich rückwärts durch. Wenn sich die Entwicklung umkehrt, erzeugen die Quantenwellen einen Moment „konstruktiver Interferenz“. Dies verstärkt das resultierende „Echo“ und macht die endgültige Messung unglaublich empfindlich. Die Ausgabe zeigt, wie sich Informationen im Quantensystem ausbreiten und interagieren.
Dieser Ansatz ist wirkungsvoll, weil das Ergebnis überprüfbar ist. Im Gegensatz zu einigen früheren Quantengeschwindigkeitsdemonstrationen kann die Ausgabe des Quantum Echoes-Algorithmus auf anderen vergleichbaren Quantencomputern wiederholt und, was noch wichtiger ist, mit realen physikalischen Experimenten abgeglichen werden.
Ein molekularer Herrscher für die Wissenschaft
Um den praktischen Nutzen dieser Methode zu demonstrieren, hat Google mit Forschern der University of California in Berkeley zusammengearbeitet. Sie verwendeten den Quantenecho-Algorithmus, um die Struktur zweier verschiedener Moleküle zu untersuchen.
Sie verglichen die Quantenergebnisse mit denen der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). NMR ist eine Methode, die derzeit in der Chemie (und der Wissenschaft hinter der MRT-Technologie) verwendet wird. Die Daten beider Systeme stimmten perfekt überein. Entscheidend ist, dass es der Quantenecho-Technik gelang, Strukturinformationen zu extrahieren, die mit Standard-NMR-Methoden normalerweise nicht aufgedeckt werden können, und so effektiv als „molekulares Lineal“ mit beispielloser Präzision fungierte.
Vollwertige Quantencomputer, die die Medizin und Materialwissenschaft völlig revolutionieren könnten, benötigen immer noch Hardware mit Millionen hochstabiler Qubits. Google glaubt jedoch, dass dieser algorithmische Durchbruch einen größeren Schritt darstellt. Das Unternehmen bleibt optimistisch und prognostiziert, dass die ersten realen Quantenanwendungen innerhalb der nächsten fünf Jahre verfügbar sein könnten. Diese Forschung weist auf eine Zukunft hin, in der Quantenmaschinen nicht nur für komplexe Geschwindigkeitstests, sondern auch für wissenschaftliche Entdeckungen nützlich sein werden.
