Die von Google nachgewiesene Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy) bezeichnet den Moment, an dem ein Quantencomputer erstmals einem herkömmlichen Rechner bei einer bestimmten Aufgabe überlegen ist.

Forscher am JSC unter Leitung von Prof. Kristel Michielsen trugen mittels Simulationen dazu bei, Googles Ergebnisse zu verfizieren und die Leistung des Quantenprozessors zu bestimmen.

Forscher am JSC unter Leitung von Prof. Kristel Michielsen trugen mittels Simulationen dazu bei, Googles Ergebnisse zu verifizieren und die Leistung des Quantenprozessors zu bestimmen. Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Beteiligt am Nachweis der Leistung von Googles Quantenprozessor Sycamore waren auch Forscher des Jülicher Supercomputing Centre (JSC) unter der Leitung von Prof. Kristel Michielsen. Mit Simulationen auf dem Jülicher Supercomputer Juwels trugen sie dazu bei, die Ergebnisse zu verifizieren und die Leistung des Quantenprozessors zu bestimmen.

Sycamore verfügt über 53 funktionsfähige Qubits. Als Aufgabe für das Benchmarking wählten die Forscher das Auslesen und Auswerten einer Zufalls-Quantenschaltung, die Qubits auf zufällige Art und Weise transformiert. Der Auslesevorgang erzeugt eine Reihe von Bitstrings, von denen einige häufiger auftreten als andere. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung ähnelt einem Specklemuster, also einem Wellenmuster, das entsteht, wenn Laserlicht an einer rauen Oberfläche gestreut wird. Beim Versuch, das Auslesen der Werte aus einer solchen Wahrscheinlichkeitverteilung mit einem konventionellen Computer zu simulieren, steigt der Rechenaufwand mit jedem Qubit und jedem Arbeitszyklus exponentiell an.

Um die Leistung des Quantenprozessors von Google zu bestimmen, nutzten die Forscher das Cross-Entropy-Benchmarking. Dabei wird verglichen, wie häufig sich Bitstrings experimentell beobachten lassen und wie hoch die Wahrscheinlichkeit für ihr Auftreten ist. Im Bereich der Quantenüberlegenheit nimmt der Rechenaufwand für dieses Benchmarking auf einem konventionallen Superrechner unrealistische Ausmaße an. Sycamore benötigte 200 s um eine solche Quantenschaltung eine Million Mal auszulesen. Laut Google soll ein aktueller Superrechner für die entsprechende Aufgabe dagegen 10.000 Jahre benötigen.

Forscher von IBM, wo ebenfalls ein Quantenprozessor mit 53 Qubits entwickelt wurde, argumentieren dagegen, dass eine ideale Simulation der gleichen Aufgabe auf einem klassischen System in 2,5 Tagen und mit weitaus größerer Genauigkeit durchführbar wäre.