Das Ding namens Google Willow

• Einschätzung eines Experten zur Ankündigung von Googles Quantum-Chip Willow
  • Scott Aaronson: ein renommierter Informatiker auf dem Gebiet der Theorie der Berechnungskomplexität und Autor von „Scott Aaronsons Vorlesungen über Quantencomputing“
• Während der Teilnahme an der Q2B(Quantum 2 Business)-Konferenz nahm er an der Vorstellung von Googles neuem supraleitenden 105-Qubit-Chip „Willow“ durch das Google-Quantum-Team teil
• Der Willow-Chip umfasst Erfolge bei Surface-Code-Qubits zur Fehlerkorrektur sowie bei einem groß angelegten Experiment zur Quantum Supremacy (Random Circuit Sampling)
• Die Präsentation fand im Computer History Museum in Mountain View statt und bestand aus einem Vortrag auf hohem technischem Niveau sowie einer Fragerunde

Googles wichtigste Erfolge und wissenschaftliche Bedeutung

• Der Willow-Chip hat die Zahl der Qubits seit 2019 verdoppelt, die Kohärenzzeit der Qubits verfünffacht und die Genauigkeit von 2-Qubit-Gates auf ~99.7% (Controlled-Z-Gate) bzw. ~99.85% (iswap-Gate) verbessert
• Bei der Skalierung der Surface-Code-Größe auf 3×3, 5×5 und 7×7 wurde beobachtet, dass kodierte logische Qubits länger erhalten bleiben
• Dies wird als wichtiger Schwellenpunkt bewertet, der die Möglichkeit stabilen Quantencomputings durch Quantenfehlerkorrektur zeigt

Grenzen des Willow-Chips und künftige Aufgaben

• Google erklärt ausdrücklich, dass zur Definition eines vollständig fehlertoleranten Qubits die Fehlerrate bei Multi-Qubit-Operationen auf 10⁻⁶ gesenkt werden muss
• Im aktuellen Experiment wurde nur ein einzelnes kodiertes Qubit erzeugt; Experimente mit Multi-Qubit-Operationen wurden noch nicht durchgeführt

Quantum-Supremacy-Experiment und Rechenzeit

• Ein neues Quantum-Supremacy-Experiment mit Willow wurde auf Basis von 105 Qubits und 40 Gate-Stufen durchgeführt
• Selbst mit modernen Simulationsalgorithmen würde die klassische Verifikation dieses Experimentergebnisses schätzungsweise bis zu 10²⁵ Jahre dauern
• Die Verifikation erfolgte mit einer indirekten Methode auf Grundlage von Ergebnissen kleinerer Schaltkreise

Vergleich mit konkurrierenden Technologien

• Supraleitende Qubits haben hohe Gate-Geschwindigkeit, während Ionenfallen-Qubits Qubit-Bewegung und hohe Gate-Genauigkeit bieten
• Willow gilt als Beispiel dafür, dass Google seinen Wettbewerbern eine neue Herausforderung gestellt hat

Kontroverse und Reaktionen

• Der Quantencomputing-Skeptiker Gil Kalai merkte an, dass man Googles Behauptungen mit Vorsicht betrachten sollte, und widersprach dabei vor allem mit Blick auf bestehende Daten zu früheren Quantum-Supremacy-Experimenten
• Positiv bewertet wird, dass Googles Präsentation auf realen Ergebnissen ohne Übertreibung beruhte

Fazit

• Willow belegt die Möglichkeit von Quantenfehlerkorrektur und groß angelegten Quantenexperimenten, wird insgesamt positiv bewertet und als wichtiger Meilenstein des Fachgebiets anerkannt
• Künftig wird das Tempo der technologischen Entwicklung zwischen Google und anderen Wettbewerbern im Fokus stehen
• Die Entwicklung des Quantencomputings geht weiter, und die experimentellen Ergebnisse werden zunehmend besser

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Hacker-News-Kommentare

• Als Softwareentwickler fühlt es sich kindisch an, APIs zu konsumieren und Datenbankzeilen zu aktualisieren im Vergleich zu dem, was ich gelesen habe. Das Problem, das Quantencomputer gelöst haben, würde auf herkömmlichen Computern Billionen von Jahren dauern, aber außer Quantenforschern interessiert es niemanden

  • Ich wünsche mir, dass sie Probleme lösen, die auch Menschen interessieren, die keine Quantenforscher sind. Zum Beispiel das Traveling-Salesman-Problem mit n=10 oder die Faktorisierung einer 10-stelligen Zahl
  • Aktuell sind Quantencomputer in derselben Kategorie wie kommerzielle Kernfusion. Es gibt viele „Durchbrüche“, aber keine Ergebnisse
  • Krebsforscher verkünden kaum je „Durchbruch, der Krebs heilen kann!“, aber es gibt stetige Fortschritte

• Ich halte die Behauptung zur Everett-Interpretation mit vielen Welten für unlogisch. Wenn parallele Universen dieselbe Berechnung gleichzeitig durchführen, frage ich mich, wie dadurch eine Leistungssteigerung für das gesamte Universum möglich sein soll

• Ich musste lachen, als sie meinten, dass sie Fragen zu supraleitenden Qubits sowie gefangenen Ionen, neutralen Atomen und photonischen Qubits bekommen. Wenn ich mehr als zwei Wörter davon verstanden hätte, hätte ich eine Frage gestellt

• Ich frage mich, wo die Leistung bei allgemein nützlichen Aufgaben ist. Ich würde gern wissen, welche größte Zahl sich mit dem Shor-Algorithmus faktorisieren lässt oder welcher größte Hash sich mit dem Grover-Algorithmus als Preimage berechnen lässt

• Die Hardware entwickelt sich weiter, aber es mangelt an Algorithmen, die man auf Quantencomputern ausführen kann. Außer dem Shor-Algorithmus, der nützlich ist, um RSA zu brechen, gibt es nichts

  • Es gibt nur die vage Idee, dass es für Quantensimulation oder Optimierung nützlich sein könnte
  • Wenn wir morgen einen vollständigen Quantencomputer hätten, wüsste ich nicht, was ich darauf laufen lassen sollte. Es ist eine Leerstelle
  • Ein Durchbruch bei Quantenalgorithmen ist die einzige Hoffnung. In diesem Bereich gibt es fast keinen Fortschritt
  • Zapata Computing, das im Bereich Quantenalgorithmen am besten finanzierte Unternehmen, hat dieses Jahr dichtgemacht

• Verwandter Artikel: Willow, Our Quantum Chip

• Die größte Warnung beim Ergebnis „10^25 Jahre“ ist, dass Google darauf nicht genug hingewiesen hat. Weil diese Quantenberechnung auf einem klassischen Computer etwa 10^25 Jahre zur Simulation brauchen würde, würde ein klassischer Computer auch etwa 10^25 Jahre brauchen, um das Ergebnis des Quantencomputers direkt zu verifizieren

  • Das verstehe ich nicht. Dafür brauche ich eine Erklärung. Es gibt viele Probleme, deren Lösung lange dauert, deren Verifikation aber einfach ist. Zum Beispiel die Faktorisierung einer großen Zahl, die aus dem Produkt sehr großer Primzahlen besteht

• Die Behauptung, dass ein klassischer Computer etwa 10^25 Jahre brauchen würde, um das Ergebnis eines Quantencomputers direkt zu verifizieren, ist schwer nachzuvollziehen. Es gibt viele Probleme, bei denen Verifikation viel einfacher ist als Lösung. Ich frage mich, warum dieser Ansatz nicht verwendet wird, um Behauptungen zum Quantencomputing zu überprüfen

• Zusammenfassung: Es ist ein reales Ergebnis. Der coole Teil ist, dass mehr Qubits länger durchhalten. Der schlechte Teil ist, dass das Ergebnis nicht explizit verifiziert wird, sondern nur durch Schlussfolgerung überprüfbar ist