Lichtbasierter Quantencomputer Jiuzhang erreicht Quantenvorherrschaft
Ein neuartiger Quantencomputer hat bewiesen, dass er auch souverän regieren kann.
Ein photonischer Quantencomputer, der Lichtteilchen oder Photonen nutzt, hat eine Berechnung durchgeführt, die für einen herkömmlichen Computer unmöglich ist, berichten chinesische Forscher am 3. Dezember in Wissenschaft. Dieser Meilenstein, bekannt als Quantenvorherrschaft, wurde 2019 nur einmal zuvor von Googles Quantencomputer (SN: 23.10.19). Der Computer von Google basiert jedoch auf supraleitenden Materialien, nicht auf Photonen.
„Dies ist die erste unabhängige Bestätigung von Googles Behauptung, dass man wirklich eine Quantenüberlegenheit erreichen kann“, sagt der theoretische Informatiker Scott Aaronson von der University of Texas in Austin. „Das ist aufregend.“
Der neue Quantencomputer, der nach einem alten chinesischen mathematischen Text Jiuzhang genannt wird, kann eine Berechnung in 200 Sekunden durchführen, die auf dem schnellsten Nicht-Quanten- oder klassischen Computer der Welt mehr als eine halbe Milliarde Jahre dauern würde.
„Mein erster Eindruck war ‚Wow’“, sagt der Quantenphysiker Fabio Sciarrino von der Universität Sapienza in Rom.
Googles Gerät namens Sycamore basiert auf winzigen Quantenbits aus supraleitenden Materialien, die Energie widerstandslos leiten. Im Gegensatz dazu besteht Jiuzhang aus einem komplexen Array optischer Geräte, die Photonen umherbefördern. Diese Geräte umfassen Lichtquellen, Hunderte von Strahlteilern, Dutzende von Spiegeln und 100 Photonendetektoren.
Durch den Einsatz eines Prozesses namens Boson-Sampling erzeugt Jiuzhang eine Zahlenverteilung, die für einen klassischen Computer äußerst schwierig zu replizieren ist. So funktioniert es: Photonen werden zunächst in ein Netzwerk von Kanälen geschickt. Dort trifft jedes Photon auf eine Reihe von Strahlteilern, von denen jeder das Photon in einer sogenannten Quantenüberlagerung gleichzeitig auf zwei Wegen schickt. Auch Pfade verschmelzen miteinander, und die wiederholte Aufspaltung und Verschmelzung führt dazu, dass die Photonen nach Quantenregeln miteinander interferieren.
Schließlich wird am Ende die Anzahl der Photonen in jedem der Ausgangskanäle des Netzwerks gemessen. Bei vielen Wiederholungen erzeugt dieser Prozess eine Verteilung von Zahlen basierend darauf, wie viele Photonen in jeder Ausgabe gefunden wurden.
Bei einer großen Anzahl von Photonen und vielen Kanälen erzeugt der Quantencomputer eine Zahlenverteilung, die für einen klassischen Computer zu komplex ist. In dem neuen Experiment durchquerten bis zu 76 Photonen ein Netzwerk von 100 Kanälen. Für einen der leistungsstärksten klassischen Computer der Welt, den chinesischen Supercomputer Sunway TaihuLight, war die Vorhersage der Ergebnisse, die der Quantencomputer für alles, was über etwa 40 Photonen hinausgeht, erzielen würde, hartnäckig.
Google war zwar der erste, der die Quantenvorherrschaftsbarriere durchbrochen hat, aber der Meilenstein ist „keine einmalige Leistung“, sagt der Co-Autor der Studie und Quantenphysiker Chao-Yang Lu von der Universität für Wissenschaft und Technologie von China in Hefei. „Es ist ein ständiger Wettbewerb zwischen ständig verbesserter Quantenhardware und ständig verbesserter klassischer Simulation.“ Nach Googles Behauptung der Quantenvorherrschaft schlug IBM beispielsweise eine Art Berechnung vor, die es einem Supercomputer ermöglichen könnte, die Aufgabe des Google-Computers zumindest theoretisch auszuführen.
Und das Erreichen der Quantenüberlegenheit bedeutet nicht unbedingt, dass die Quantencomputer noch sehr nützlich sind, denn die Berechnungen sind esoterisch und für klassische Computer schwierig konzipiert.
Das Ergebnis stärkt das Profil von photonischen Quantencomputern, die nicht immer so viel Aufmerksamkeit erhalten haben wie andere Technologien, sagt der Quantenphysiker Christian Weedbrook, CEO von Xanadu, einem Unternehmen mit Sitz in Toronto, das sich auf den Bau photonischer Quantencomputer konzentriert. „Historisch gesehen war die Photonik das dunkle Pferd.“
Eine Einschränkung von Jiuzhang, bemerkt Weedbrook, besteht darin, dass es nur eine einzige Art von Aufgabe ausführen kann, nämlich die Boson-Probenahme. Im Gegensatz dazu könnte der Quantencomputer von Google so programmiert werden, dass er eine Vielzahl von Algorithmen ausführt. Aber auch andere Arten von photonischen Quantencomputern, einschließlich der von Xanadu, sind programmierbar.
Der Nachweis der Quantenüberlegenheit mit einem anderen Gerätetyp zeigt, wie schnell Quantencomputing voranschreitet, sagt Sciarrino. „Dass nun die beiden unterschiedlichen Plattformen dieses Regime erreichen können … zeigt, dass das ganze Feld sehr ausgereift voranschreitet.“