IBM hat gemeinsam mit der University of Chicago, Qedma und Algorithmiq einen entscheidenden Meilenstein in der Weiterentwicklung des Quantencomputings bekannt gegeben: das Erreichen von Quantum Advantage, des sogenannten Quantenvorteils. Damit ist der Punkt gemeint, an dem ein Quantencomputer eine Berechnung durchführen kann, die über das hinausgeht, was klassische Computer allein leisten können – und wenn das Ergebnis zuverlässig und nachvollziehbar verifiziert werden kann.
Im Laufe der Jahre wurde Quantum Advantage viel diskutiert. Eine Frage blieb jedoch bislang offen: Wenn ein Quantencomputer ein Problem löst, das ausserhalb der Reichweite klassischer Ansätze liegt, woher wissen wir dann, dass die Antwort korrekt ist?
Die nun vorgestellten technologischen Durchbrüche zeigen gemäss den Forschern, dass Quantencomputer Probleme auf eine Weise lösen können, die sowohl überprüfbar ist als auch über die Möglichkeiten führender klassischer Simulationsmethoden hinausgeht. Gemeinsam markieren sie demnach den Beginn einer neuen Phase, in der Unternehmen und Branchen Quantencomputing mit Vertrauen weit über die Grenzen klassischer Berechnungen hinaus skalieren können.
IBM und die University of Chicago demonstrieren Quantum Advantage anhand vertrauenswürdiger Quantenberechnungen auf logischen Schaltkreisen. Die Forschende nutzten eine neue Methode der Fehlerkorrektur, um 70 logische Qubits zu kodieren und ein Problem zu lösen, das mit klassischen Computern praktisch nicht bewältigt werden kann. Die Quantenberechnung wurde in rund 15 Minuten abgeschlossen – eine Aufgabe, die mit den führenden klassischen Rechenmethoden einen praktisch nicht realisierbaren Zeitaufwand erfordern würde. Gleichzeitig konnte die Qualität des Ergebnisses verlässlich nachgewiesen werden, heisst es.
Weiters modellierten IBM und Qedma mithilfe vertrauenswürdiger Quantenberechnungen physikalische Prozesse, die außerhalb der Möglichkeiten klassischer Simulationen liegen. Mithilfe von QESEM, Qedmas Software zur Quantenfehlerreduktion, ausgeführt auf IBM Quantencomputern, gelang es den Forschenden, die komplexen und langlebigen Quantendynamiken in Systemen mit bis zu 74 Qubits zu beobachten. Damit erreichten sie einen Bereich, in dem mehrere führende klassische Simulationsansätze keine konsistenten und verlässlichen Ergebnisse mehr liefern konnten. Die Ergebnisse zeigen demnach, dass Quantencomputer als vertrauenswürdige Werkzeuge für die Erforschung neuer physikalischer Phänomene eingesetzt werden können. Das könnte den Weg für die Entwicklung besserer Supraleiter, optoelektronischer Materialien und weiterer fortschrittlicher Werkstoffe ebnen.
IBM und Algorithmiq demonstrierten zudem Quantum Advantage bei der Simulation des Verhaltens von Teilchen in realen Materialien – ein Prozess, der zum Beispiel für die Entwicklung von Katalysatoren oder Batterieelektrolyten entscheidend ist, zentrale Bestandteile realer Produkte, deren Modellierung mit klassischen Computern äußerst schwierig und kostspielig ist. Das Team zeigte, dass das von Algorithmiq entwickelte Modell auf IBM Quantencomputern ein Problem präzise lösen und gleichzeitig verifizieren kann, das ausserhalb der Reichweite klassischer Computer liegt. Zu diesem Zweck entwickelte das Team ein neues Framework, das durch gezielte Rausch-Manipulation und Tests auf mehreren Quantenprozessoren die Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherstellt.
Diese Ergebnisse markieren einen wichtigen Meilenstein für das gesamte Fachgebiet. Quantum Advantage bedeute damit nicht mehr nur den Nachweis überlegener Rechenleistung, sondern auch die Schaffung des notwendigen Vertrauens, damit Wissenschaftler, Unternehmen und Institutionen auf Quantenergebnissen aufbauen und sie mit Zuversicht nutzen können, so die Forscher.
