Mächtiger Quantencomputer

Wenn Photonen rechnen

Von Manfred Lindinger
18.12.2020
, 10:45
Jetzt präsentieren auch chinesische Forscher einen Quantencomputer, der Rekorde bricht. Er berechnete eine für klassische Rechner unlösbare Aufgabe innerhalb von Minuten.

Wann kommt endlich der Quantencomputer, der jedem noch so leistungsfähigen klassischen Computer haushoch überlegen ist? Google hat diese Frage mit „Sycamore“ im vergangenen Jahr für sich beantworten können. Mit seinen 53 supraleitenden Quantenbits war der Quantencomputer erstmals in der Lage, ein komplexes Problem deutlich schneller zu berechnen als der damals leistungsfähigste Supercomputer „Summit“ von IBM. Sycamore benötigte nur 200 Sekunden, woran Summit nach Aussagen der Google-Forscher mindestens zehntausend Jahre lang geknobelt hätte.

Doch nun hat Googles Quantencomputer mächtige Konkurrenz bekommen. Sie kommt aus China, heißt „Jiuzhang“ und steht in einem Labor der Universität Hefei. Entwickelt wurde der chinesische Quantenrechner von Wissenschaftlern um den chinesischen Quantenphysiker Jian-Wei Pan, der durch seine spektakulären Freilandversuche zur Quantenkommunikation bekannt geworden ist. Jiuzhang habe, so schreiben Pan und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“, innerhalb von Minuten die Lösung für eine komplexe Aufgabe geliefert, für die der schnellste Rechner Chinas, „Taihulight“ – die Nummer vier auf der aktuellen Weltrangliste der schnellsten Supercomputer –, schätzungsweise ein halbes Erdzeitalter gebraucht hätte.

Ob nun Sycamore oder Jiuzhang das leistungsfähigere System ist, lässt sich aber nur schwer beantworten. Denn beide haben ihre Quantenüberlegenheit für eine ganz spezielle mathematische Fragestellung demonstriert, die auf die jeweilige Hardware hin zugeschnitten worden war. Und diese ist bei beiden Quantenrechnern grundlegend verschieden:

Quantenbillard mit Photonen

Während Sycamore zum Rechnen supraleitende Quantenbits in Gestalt von Mikrowellenresonatoren verwendet, die zu logischen Gattern verschaltet werden können, nutzt Jiuzhang für seine Kalkulationen speziell geformte Laserpulse. Diese sind so beschaffen, dass sie sich wie einzelne Photonen verhalten. Lichtquanten sind die idealen Träger von Quanteninformationen, weil sie leichter zu kontrollieren und zu manipulieren sind als beispielsweise Sycamores supraleitende Qubits. Die Lichtpulse durchlaufen einen Parcours aus 300 Strahlteilern und 75 Spiegeln sowie aus unzähligen Polarisatoren und Linsen. Eine Schar von Detektoren registriert die Lichtpulse, nach dem diese die optische Anordnung passiert haben. Streng genommen ist Jiuzhang kein Quantencomputer, sondern ein Quantensimulator.

Die Forscher um Pan wollten mit ihrem experimentellen Aufbau eine Fragestellung aus der Quantenstatistik – Gaussian Boson Sampling – überprüfen, welche die Computerwissenschaftler Scott Aaronson und Alex Arkhipov im Jahr 2011 formuliert hatten. Kann ein klassischer Computer – so fragten die beiden Forscher vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge – berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit Teilchen wie Photonen ein Labyrinth aus Strahlteilern und Spiegeln durchlaufen und welchen Weg sie dabei einschlagen? Aaronson und Arkhipov hatten damit bereits den auf Lichtteilchen basierenden Quantencomputer im Blick, der damals aber noch in den Kinderschuhen steckte.

Das Problem, das für Kugeln, die auf sich verzweigenden Wegen in einem Parcours umherlaufen, noch auf klassischem Wege mit einem modernen Computer fix berechnet werden kann, erweist sich im Fall von Quantenteilchen jedoch als großes Unterfangen, insbesondere dann, wenn es sich wie bei Photonen um nicht unterscheidbare Bosonen handelt.

Die Konsequenzen zeigen sich schon, wenn ein einzelnes Photon auf einen Strahlteiler trifft. Dann hat es im Prinzip die Möglichkeit, gleich zwei Wege gleichzeitig einzuschlagen. Bei zwei Lichtteilchen kommt es sogar zu einer Überlagerung, in deren Folge ein verschränkter Zustand entsteht. Die beiden Photonen verhalten sich fortan wie ein einheitliches Quantensystem, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Und so wächst die Komplexität des Problems mit der Zahl der Lichtteilchen sowie der Zahl der Strahlteiler und optischen Wege schnell ins Unermessliche.

Supercomputer unterschätzt?

Leistungsfähige lichtbasierte Quantencomputer, die mit vielen Photonen rechnen, ließen sich allerdings lange nur schwer verwirklichen. Die Verluste an Photonen waren immens, so dass nur mit drei bis fünf Lichtquanten gleichzeitig experimentiert werden konnte. Das hat sich dank der Arbeiten der chinesischen Forscher geändert, unter anderem weil sie mit Lichtpulsen statt mit Photonen arbeiten. Und so hat sich der optische Parcours, den Pan und seine Kollegen gebaut haben, als ideales Prüffeld erwiesen, um die Quantenüberlegenheit eines lichtbasierten Quantencomputers unter Beweis zu stellen.

Die Forscher schickten bis zu 76 Lichtpulse gleichzeitig durch das Interferometer. Die hundert Detektoren registrierten die Lichtpulse, die es bis zum Schluss geschafft hatten. Die Forscher um Pan mussten im Prinzip nur zählen, wie häufig welcher Detektor bei jedem Durchlauf aufleuchtet, um eine Wahrscheinlichkeitsverteilung zu erhalten. Ein klassischer Computer, der alle möglichen Wege berechnen wollte, die den Photonen zur Verfügung standen, wäre schnell an sein Limit gestoßen. Die Aufgabe wäre nach Aussagen der Forscher um Pan selbst für einen Supercomputer wie „Taihulight“ unmöglich zu lösen gewesen.

Während laut „Nature News“ viele Wissenschaftler den chinesischen Ergebnissen großes Vertrauen schenken, haben offenbar Google-Forscher Bedenken angemeldet. Wie Scott Aaronson in seinem Blog schreibt, bezweifelt das Team um Gil Kalai, ob ein Supercomputer tatsächlich so schlecht abgeschnitten hätte, wie Pan und seine Kollegen glauben. Einen ähnlichen Vorwurf mussten sich übrigens die Erbauer von Sycamore von IBM-Wissenschaftlern im vergangenen Jahr anhören. Allerdings hat Chinas Quantencomputer einen entscheidenden Nachteil. Er kann anders als Sycamore nicht einfach programmiert werden, um andere Aufgaben zu lösen. Er ist nur dafür entwickelt worden, die Quantenüberlegenheit für ein bestimmtes Problem zu lösen. Ob es weitere mögliche Anwendungen gibt, wollen die Forscher um Pan prüfen.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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