Quantenvorteil nachgewiesen: Googles „Quantum Echoes“ deklassiert schnellste Supercomputer um den Faktor 13.000

Die aktuelle Präsentation von Google markiert einen fundamentalen Wendepunkt in der Forschung, da sie die Dominanz von Simulationen verlässt und einen echten, messbaren Vorsprung auf einem physischen System belegt. Der Algorithmus „Quantum Echoes“, der auf dem unternehmenseigenen Willow-Quantenprozessor implementiert wurde, erbrachte eine Performance, die klassischen Hochleistungsrechnern signifikant überlegen ist. Konkret lief die Berechnung 13.000 Mal schneller ab, als es dem besten klassischen Algorithmus auf den schnellsten verfügbaren Supercomputern möglich gewesen wäre. Laut Google wurde der Algorithmus in etwa zwei Stunden auf dem Willow-Chip ausgeführt, während die Simulation auf einem klassischen System Jahre in Anspruch nehmen würde.

Dies ist der kritische Unterschied zum früheren Konzept der Quantum Supremacy, da der Quantenvorteil (Quantum Advantage) nun die Überlegenheit bei einer praktisch relevanten Aufgabe – hier die Modellierung von Quantensystemen mittels des Out-of-Time-Order Correlators (OTOC) – impliziert. Google betont die Relevanz der Demonstration auf realer, physischer Hardware. Die Ergebnisse dieses Quantenalgorithmus sind zudem so konzipiert, dass sie von anderen Quantencomputern überprüfbar und reproduzierbar sind, was die Validität der Behauptung untermauert und einen zentralen Kritikpunkt früherer Durchbrüche adressiert.

Der Willow-Chip, der bereits 2024 vorgestellt wurde, nutzt 105 supraleitende Transmon-Qubits und konnte seine Leistungsfähigkeit durch kontinuierliche Optimierung der Qubit-Fidelitäten (Einzel-Qubit-Gatter mit 99,97 %, verschränkende Gatter mit 99,88 %) unter Beweis stellen. Der „Quantum Echoes“-Algorithmus selbst funktioniert wie ein quantenmechanisches Sonar: Ein sorgfältig kalibriertes Signal wird in das System gesendet, ein einzelnes Qubit gezielt gestört und die Evolution anschließend präzise umgekehrt, um das resultierende "Echo" zu messen. Dieses Echo wird durch konstruktive Interferenz verstärkt, was die Messung extrem sensitiv für die inneren Dynamiken des Quantensystems macht.

Der jetzige Durchbruch steht in direkter Verbindung mit der Arbeit von Michel Devoret, einem Google-Mitarbeiter und diesjährigen Nobelpreisträger für Physik (zusammen mit John Clarke und John Martinis für die Entdeckung des makroskopischen Quanteneffekts, der die Basis für supraleitende Qubits bildet). Seine Forschung hat maßgeblich zur Entwicklung der zugrundeliegenden Quantenprozessor-Architektur beigetragen. Diese wissenschaftliche Verankerung untermauert die Glaubwürdigkeit der Errungenschaft und stellt die Weichen für die zukünftige Skalierbarkeit der Technologie.

Die erfolgreiche Demonstration der verifizierbaren Quantenvorteils ist ein entscheidender Schritt, da sie die Fehlerkontrolle und die Präzision der aktuellen Willow-Qubit-Technologie bestätigt. Solche hochpräzisen Quantenberechnungen, welche große Quanteninterferenzen und Verschränkungen involvieren, sind maßgeblich dafür verantwortlich, dass die Ergebnisse in einem Regime jenseits der Möglichkeiten klassischer Rechner liegen.

Google sieht in der Anwendung des „Quantum Echoes“-Algorithmus zur Erklärung von Wechselwirkungen zwischen Atomen in einem Molekül mittels Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance) einen direkten Weg zu realen Problemlösungen. Dies könnte beispielsweise die Arzneimittelentwicklung und die Materialwissenschaft revolutionieren. Google gibt sich optimistisch bezüglich des Zeitrahmens und prognostiziert, dass reale, nützliche Quantenanwendungen – die nicht nur akademischer Natur sind – innerhalb der nächsten fünf Jahre realisiert werden könnten. Die nächste große Herausforderung auf der Roadmap des Unternehmens bleibt die Entwicklung eines langlebigen, fehlerkorrigierten logischen Qubits, um die Technologie für größere, komplexere Aufgaben skalierbar und zuverlässig zu machen.