In der Fachzeitschrift Nature Communications wurde ein Experiment veröffentlicht, das einen grundlegend neuen Weg vorschlägt, um zu belegen, dass Quantencomputer tatsächlich in der Lage sind, gewöhnliche klassische Maschinen zu übertreffen. Das zentrale Problem, das die Arbeit angeht, ist die Verifikation: Mit wachsender Zahl an Operationen wird die Überprüfung der Ergebnisse eines Quantengeräts auf herkömmlichen PCs aufgrund der extremen Anforderungen an die Rechenleistung praktisch unmöglich. Die Forscher schlugen einen Umweg in Form eines experimentellen „Spiels“ auf Basis einer Komplementärmuster-Aufgabe (complement sampling) vor, und das neue Experiment zeigte, dass das Quantensystem die Aufgabe effizienter löste als die besten klassischen Algorithmen.
Wie das „Spiel“ der Komplementärmuster-Auswahl aufgebaut ist
Der vorgeschlagene Test ist in seiner Formulierung einfach, aber für eine klassische Maschine schwer. Alle möglichen Antwortvarianten werden heimlich in zwei gleich große Gruppen – A und B – aufgeteilt. Das Ziel des Teilnehmers besteht darin, eine zufällige Variante aus Gruppe A zu erhalten und eine Antwort zurückzugeben, die zu Gruppe B gehört. Für einen klassischen Computer erweist sich das als Falle: Das System erhält nur eine konkrete Zahl oder ein Element und kennt die Verteilung der übrigen Varianten nicht, daher sinken seine Erfolgschancen mit wachsender Datenmenge. Der Quantencomputer kann dank Superposition hingegen gleichzeitig in mehreren Zuständen sein, die gesamte Gruppe A parallel verarbeiten, sie mithilfe eines speziellen Schaltkreises in Gruppe B überführen und erst dann Messungen durchführen.
Warum klassische Maschinen das nicht leisten können
Der Unterschied in den Ansätzen führt zu einer Lücke in der Recheneffizienz, die klassische Algorithmen nicht durch bloßes Aufstocken der Ressourcen ausgleichen können. Mit der Skalierung der Aufgabe stößt das klassische System auf ein exponentielles Wachstum der Anforderungen an Speicher und Zeit, während das Quantengerät die Parallelität der Zustände nutzt, um eine direkte Durchsuchung zu umgehen. Genau das macht den vorgeschlagenen Test zu einem nützlichen Verifikationsinstrument: Er ermöglicht es, den Moment festzuhalten, in dem das Ergebnis des Quantengeräts für jeden klassischen Ansatz – selbst theoretisch – unerreichbar wird.
Experiment mit 55 Qubits
Die Forscher testeten den Algorithmus auf dem ionischen Quantencomputer Quantinuum H2, wandten Tausende verschiedener Schaltkreise an und skalierten das Experiment auf 55 Qubits. Trotz des Hardware-Rauschens, das für reale Geräte typisch ist, erwiesen sich die Ergebnisse des Quantensystems als statistisch unerreichbar für jeden klassischen PC. Insbesondere löste der Quantencomputer im Test mit 37-Bit-Zeichenketzen eine Aufgabe, die über die Möglichkeiten der besten klassischen Algorithmen hinausging, und der Unterschied in der Recheneffizienz war erheblich.
Was kommt als Nächstes: zwei Quantencomputer und ein Quantenkanal
Die Autoren der Arbeit skizzieren auch die nächste Entwicklungsstufe der Methode. In Zukunft planen sie, das Experiment zu verkomplizieren, indem sie die Systeme zur Auswahl und Analyse der Antworten auf zwei separate Quantencomputer verteilen, die durch einen echten Quantenkommunikationskanal verbunden sind. Dieser Übergang von einem einzelnen Gerät zu einer verteilten Konfiguration wird es ermöglichen, den Vorteil unter Bedingungen zu überprüfen, die realen Quantennetzen nahekommen, und die Beweislage der Verifikation zusätzlich zu festigen.
Kontext: Wo steht das im Gesamtbild?
Das erzielte Ergebnis fügt sich in den breiteren Kontext des Wettstreits um den Nachweis des Quantenvorteils ein, in dem parallel auch andere Richtungen voranschreiten. So hat der Supercomputer Jupiter in einer verwandten Linie von Arbeiten kürzlich einen 50-Qubit-Quantenprozessor vollständig simuliert, was auch die wachsenden Möglichkeiten der klassischen Simulation zeigt. Wichtig ist jedoch, dass dies ein eigenständiges Ergebnis und kein Teil des beschriebenen Experiments ist: Der in Nature Communications vorgeschlagene Test der Komplementärmuster-Auswahl und das 55-Qubit-Experiment auf Quantinuum H2 stellen eine eigenständige Verifikationsmethode dar, in der das Quantengerät eine Aufgabe löst, die klassischen Algorithmen statistisch unerreichbar ist.
