Googles Willow-Quantenchip demonstriert hardwareseitig verifizierbare Quantenüberlegenheit

• „Ein großer Schritt hin zu praktischen Anwendungen des Quantencomputings: Googles Algorithmus Quantum Echoes“
• Der Quantum-Echoes-Algorithmus läuft auf Googles Willow-Quantenchip und wurde als weltweit erster Fall vorgestellt, der verifizierbare Quantenüberlegenheit realisiert
• Dieser Algorithmus kann Molekülstrukturen berechnen und Systeme in der Natur simulieren und zeigte dabei eine 13.000-mal höhere Leistung als bestehende Supercomputer der Spitzenklasse
• Quantum Echoes funktioniert, indem es das „Echo“ von Quantensignalen zurückführt und misst, wodurch feine Interferenzen verstärkt und extrem präzise Berechnungen möglich werden
• In einem gemeinsam mit UC Berkeley durchgeführten Experiment wurde die geometrische Struktur von Molekülen präzise vorhergesagt; außerdem wurden Abstandsinfos zwischen Molekülen erfasst, die mit herkömmlichen NMR-Verfahren nicht erkennbar waren
• Diese Leistung gilt als wichtiger Wendepunkt, an dem Quantencomputing in reale Industriebereiche wie Arzneimittelentwicklung, Materialwissenschaft und Fusionsforschung eintritt

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Auftreten und Bedeutung des Quantum-Echoes-Algorithmus

• Google hat mit dieser Forschung gezeigt, dass Quantencomputer Supercomputer der Spitzenklasse übertreffen und die Ergebnisse dennoch verifiziert werden können
  • Das bedeutet nicht nur „Quantenüberlegenheit (Quantum Supremacy)“, sondern eine „verifizierbare“ Berechnung, bei der sich dasselbe Ergebnis in Wiederholungsexperimenten reproduzieren lässt
• Der auf dem Willow-Chip implementierte OTOC(Out-of-Time-Order Correlator)-Algorithmus arbeitet so, dass ein Signal vorwärts entwickelt, dann ein Qubit gestört und anschließend rückwärts zurückgeführt wird, um das „Echo“ zu messen
  • Durch den Effekt der Quanteninterferenz (constructive interference) wird das Signal verstärkt, sodass selbst kleinste Veränderungen erfasst werden können
• Der Willow-Chip verwendet ein Array aus 105 Qubits und ermöglicht diese präzisen Messungen durch niedrige Fehlerraten und hohe Rechengeschwindigkeit

Willow-Chip und technische Grundlage

• Willow ist Googles neuester Quantenchip, der 2024 vorgestellt wurde; er ist eine Plattform, die durch stark verbesserte Fehlerunterdrückungstechnologie ein rund 30 Jahre altes schwieriges Problem gelöst hat
• Im früheren Benchmark Random Circuit Sampling bewies Willow seine starke Leistung, indem es die Komplexität von Quantenzuständen maximierte
• Quantum Echoes ist kein simples Komplexitätsexperiment, sondern eine neue Form der Berechnung zur Modellierung physikalischer Experimente und damit ein anspruchsvoller Test, bei dem sowohl Präzision als auch Komplexität verifiziert werden müssen

Berechnung von Molekülstrukturen und experimentelle Verifizierung

• Google und UC Berkeley führten gemeinsam ein Experiment zur quantenbasierten Berechnung molekularer Geometrien durch
  • Dabei wurde der Quantum-Echoes-Algorithmus auf zwei Moleküle mit 15 bzw. 28 Atomen angewendet
  • Die Ergebnisse stimmten mit bestehenden NMR(Kernspinresonanz)-Resultaten überein und lieferten zusätzlich neue Informationen über Abstände zwischen Molekülen, die mit bisherigen Verfahren nicht beobachtbar waren
• Damit wurde gezeigt, dass Quantum Echoes das Potenzial hat, zu einem neuen Werkzeug zu werden, das Strukturen wie ein „molekulares Lineal“ vermisst
  • Besonders groß ist das Potenzial für den Einsatz bei der Analyse neuer Materialien wie Wirkstoff-Bindungsstrukturen, Batteriematerialien oder Polymeren

Fortschritt hin zu realen Anwendungen

• Diese Leistung wird als erstes Signal gewertet, dass Quantencomputer sich der Lösung realer Industrieprobleme in Bereichen wie Pharma, Biowissenschaften und Materialforschung nähern können
• Quantum Echoes ist ein empirischer Nachweis dafür, dass Quantenmaschinen Wechselwirkungen in der Natur präzise modellieren können
  • Beispiele: Analyse der Bindungsstruktur eines Wirkstoffkandidaten an ein Protein oder Bestimmung der molekularen Anordnung neuer leitfähiger Materialien
• Google arbeitet derzeit auf „Milestone 3“ hin, also an der Implementierung von langlebigen logischen Qubits (logical qubit)
  • Das ist ein zentraler Schritt hin zur künftigen Entwicklung eines vollständig fehlerkorrigierten Quantencomputers

Ausblick

• Quantum Echoes wird als die erste Forschung verzeichnet, die die drei Elemente Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Anwendbarkeit des Quantenrechnens gleichzeitig nachweist
• Mit dieser Forschung stellt Google zudem das Konzept eines „Quantenmikroskops“ (quantum-scope) vor und zeigt das Potenzial eines neuen Werkzeugs zur Erforschung zuvor nicht beobachtbarer Naturphänomene
• Dieser Fortschritt gilt als Wendepunkt, der zeigt, dass Quantentechnologie die Laborphase verlässt und in die Phase industrieller Anwendungen eintritt

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Ich mache mir wegen der Fortschritte bei Quantencomputern ziemlich Sorgen, seit ich diesen DEFCON-Vortrag über Bitcoin gesehen habe (https://www.youtube.com/watch?v=OkVYJx1iLNs)
  • Bestimmte Public-Key-Kryptoverfahren sind zwar anfällig für Quantenalgorithmen, aber die Kernbestandteile der Bitcoin-Blockchain sind davon nicht direkt betroffen. Selbst um einen einzelnen privaten Schlüssel mit einem Quantencomputer zu brechen, würde man Tage bis Wochen brauchen, sodass es ausreichend Vorwarnzeit gäbe. Größere Sorgen mache ich mir aber um die Sicherheit Ende-zu-Ende-verschlüsselter Nachrichten wie bei WhatsApp oder Signal. Abgefangene Nachrichten könnten künftig entschlüsselt werden, daher wäre ein schneller Wechsel zu stärkerer Kryptografie besser. Signal hat hier zuletzt wichtige Fortschritte gemacht (https://arstechnica.com/security/2025/10/why-signals-post-quantum-makeover-is-an-amazing-engineering-achievement/) (https://arxiv.org/pdf/2505.15917)
  • Die Bedrohung durch Quantencomputing ist bereits weithin bekannt. Es gibt genug Zeit, um Gegenmaßnahmen zu entwickeln, und weltweit laufen entsprechende Arbeiten. Wenn man sich Sorgen über Quantenangriffe auf Kryptografie macht, wären nicht nur Kryptowährungen betroffen, sondern Banken, Broker-Konten, E-Mail, SMS und praktisch alle digitalen Dienste.
  • Jedes Mal, wenn ich erwähne, dass Quantencomputing eine Bedrohung für die Sicherheit von Kryptowährungen darstellt, bekomme ich viel Gegenwind. Das ist immer der Moment, in dem man merkt, wie viele HODLer es gibt. Letztlich ist ein Investment in Kryptowährungen bis zu einem gewissen Grad auch eine Wette darauf, wie realistisch Quantencomputing ist.
• Bedeutet „verifiable“ hier einfach: Man führt es zweimal aus und bekommt dasselbe Ergebnis? Quantum verifiability heißt doch, dass derselbe Quantencomputer oder ein anderer auf vergleichbarem Niveau wiederholt dieselbe Antwort liefert und dadurch Vertrauen entsteht.
  • Soweit ich weiß, bedeutet „Verifizierbarkeit“, dass man auch einem Skeptiker, der nur klassische Computer verwendet, theoretisch beweisen können muss, dass das Quantengerät korrekt funktioniert hat. Dafür braucht es strenge Belege wie bei Mahadev (https://arxiv.org/abs/1804.01082) oder Aaronson (https://arxiv.org/abs/2209.06930). Frühere RCS-Experimente hatten diese Eigenschaft nicht; wenn das also wirklich „verifizierbare Quantenüberlegenheit“ wäre, wäre das ein großer Fortschritt, aber im Paper wird dazu kaum etwas gesagt. Anders als in der Pressemitteilung wurde hier eher keine Überlegenheit bewiesen, sondern nur eine „vielversprechende Richtung“ aufgezeigt.
  • Im Paper wird das Konzept der „Verifizierbarkeit“ nirgends klar behandelt. So wie ich es verstehe, gingen frühere Experimente zur Quantenüberlegenheit um Sampling aus komplexen Wahrscheinlichkeitsverteilungen, und es war schwer zu verifizieren, ob das korrekt gemacht wurde. In diesem Experiment kommen die Messwerte dagegen als klare numerische Werte heraus, die sich direkt mit anderen experimentellen Systemen oder Computern vergleichen lassen, sodass zumindest die Messwerte selbst vergleichbar sind. Allerdings lagen in früheren Experimenten die Erwartungswerte der Samples alle nahe 0, sodass sie in der Praxis schwer zu beobachten waren. Das ist nur meine Vermutung, weil es dazu keine offizielle Erklärung gibt.
  • Es bedeutet, über den Stand „läuft auf meiner Maschine“ hinauszugehen und zu zeigen, dass der Algorithmus auf mehreren Quantencomputern konsistent funktioniert.
  • Der Kern dieses Experiments ist, dass es das erste verifizierte Beispiel von „quantum supremacy“ ist. Im Text steht: „Zum ersten Mal in der Geschichte hat ein Quantencomputer erfolgreich einen verifizierbaren Algorithmus ausgeführt, der die Fähigkeiten von Supercomputern übertrifft.“
  • Es bedeutet, es N-mal zu wiederholen, also nicht bloß zweimal auszuführen.
• Wenn man Aussagen wie „13.000-mal schneller als der schnellste Supercomputer“, „Quanten-Verifizierbarkeit bedeutet, dass auf unserem oder einem vergleichbaren Quantencomputer konsistent dieselben Ergebnisse herauskommen“ und „Die Resultate stimmen mit NMR überein und haben zusätzlich Informationen offengelegt, die mit NMR nicht zugänglich sind“ zusammennimmt, dann sieht es so aus, als sei echte Quantenüberlegenheit jetzt tatsächlich nachgewiesen.
  • Wenn man das Paper kurz überfliegt, scheint mit den „normalerweise per NMR nicht zugänglichen Informationen“ die Berechnung von Jacobian und Hessian des Hamiltonoperators gemeint zu sein. Das heißt: Wenn man nur das Quantenexperiment ausführt, kann man die Dynamik des Systems direkt simulieren. Jacobian und Hessian sind Matrizen der ersten bzw. zweiten Ableitungen nach allen Parametern.
• Ich würde zu diesen Ergebnissen und Behauptungen gern die Einschätzung von Experten für klassisches Rechnen hören. Auch früher wurde schon Quantenüberlegenheit verkündet, bevor andere Teams mit optimierten klassischen Algorithmen bessere Resultate gezeigt haben.
• Ich teile mal die Informationen zu den relevanten Papern.
  Ideen-Paper: Quantum Computation of Molecular Structure Using Data from Challenging-To-Classically-Simulate Nuclear Magnetic Resonance Experiments(https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.030345).
  Verifikation der Resultate auf anderen Quantencomputern (noch nicht erfolgt): Observation of constructive interference at the edge of quantum ergodicity(https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6)
• Ich frage mich, ob dieses Ergebnis immer noch ein RCS-Problem ist oder etwas Ähnliches. Soweit ich weiß, läuft das, was heutige Quantencomputer können, letztlich immer darauf hinaus, den Quantencomputer selbst zu simulieren.
  • Das ist ziemlich anders als die früher bekannten random-circuit-sampling-(RCS)-Experimente. Beim RCS-Ergebnis ist die Ausgabe ein unverschlüsselter zufälliger bitstring, der bei jedem Durchlauf anders ist. Wegen dieser Zufälligkeit gibt es keine Wiederholbarkeit, und inhaltlich ist das auch nicht besonders spannend; der Punkt ist nur, dass es effizient wohl nur ein Quantencomputer erzeugen kann. In diesem Experiment erhält man bei jedem Lauf dasselbe Ergebnis, und es werden strukturierte Schaltkreise verwendet, die sich viel besser kontrollieren lassen. Als Bonus gibt es eine Verbindung zur Molekülspektroskopie; auch wenn der Maßstab noch klein ist, sieht man zumindest Ansätze für künftig sinnvolle Anwendungen — nützlicher als das Erzeugen zufälliger Bitstrings.
  • Dieses Experiment ist weder ein RCS-Problem noch etwas aus der Zahlentheorie. Die Präsentation handelt von einem Algorithmus namens „Quantum Echoes“. Nach dem Einrichten des Experiments wird ein Qubit gestört und anschließend das „Echo“ im gesamten System beobachtet. Damit wurde ein klassisches Experiment aus einem Feld reproduziert, das bislang mit NMR bearbeitet wurde, und es wurden sogar Daten gewonnen, die mit bisherigen Methoden schwer zu erhalten waren.
• Das wirkt diesmal wie eine tatsächlich nützliche Berechnung. Ich frage mich, ob das anders ist als frühere Ergebnisse.
  • Für die reale Welt ist das nach wie vor auf einem Niveau, das völlig nutzlos ist. Außerdem kann man nicht wirklich sagen, dass es tatsächlich verifizierbar ist.
• Soweit ich weiß, können Quantenchips wegen der Begrenzung der implementierbaren Gates nur Teile von Algorithmen ausführen. Ich frage mich, ob ein Quantenchip wirklich ein echter Universal Computer ist.
• Ankündigungen in der Art von „hat auf Hardware erstmals einen Algorithmus demonstriert, der verifizierbare Quantenüberlegenheit erreicht“ habe ich gefühlt schon mehrere Male gesehen, auch allein von Google.
  • Diesmal ist „verifizierbar“ der entscheidende Punkt. Gemeint ist also, dass ein Quantencomputer ein klassisch zu langwieriges Rechenproblem wiederholt mit konsistent reproduzierbaren Ergebnissen gelöst hat. Bei Dingen wie RCS ist das dagegen nicht verifizierbar, weil sich die Ausgabe jedes Mal ändert.
  • Falls es stimmt, ist es genau die Art von Ergebnis, die man erwarten würde. Auch Quantenüberlegenheit ist ein Spektrum — vom Vergleich mit der besten klassischen Antwort, die wir mit maximalem Ressourcen- und Technikeinsatz erhalten können, bis hin zu formell verifizierbaren nützlichen Ausgaben.
  • Selbst bei Google wäre das schon das dritte Mal.
  • Diesmal kann man es anders einordnen, weil es zusammen mit einem Nature-Paper veröffentlicht wurde (https://www.nature.com/articles/s41586-025-09526-6).
• Ich bin kein Quantenexperte, aber ich habe das Gefühl, dass solche Nachrichten seit über zehn Jahren immer wieder kommen, ohne dass dabei tatsächlich brauchbare Ergebnisse herausgekommen wären.
  • Um Forschungsgelder in der Physik einzuwerben, sind solche Nachrichten großartig. Selbst wenn es nutzlos ist, ist es meiner Meinung nach immer noch besser, als das Geld für Politik oder Überwachung auszugeben.
  • Ich bin auch kein Experte, daher wäre es gut, wenn jemand das ergänzen könnte. Nach meinem Verständnis steckt noch alles in den Anfängen. Schon der Nachweis, dass Quantenalgorithmen überhaupt möglich sind, ist von großer Bedeutung. (Das scheint auch die Behauptung dieses Artikels zu sein.) Wenn das bewiesen wurde, besteht der nächste Schritt darin, mehr Qubits, mehr verschränkte Paare und niedrigere Fehlerraten zu erreichen, damit man reale Probleme angehen kann. Solche Ankündigungen sind meistens wahrscheinlich wahr, aber nur in einem „sehr kleinen Bereich“. Das wäre in etwa so, als würde man verkünden: „Neuer Faktorisierungsalgorithmus entwickelt, der 10.000-mal schneller ist als der bisherige Spitzenwert!“, tatsächlich aber nur Zahlen bis 103 faktorisieren kann.
  • Wenn Unternehmen nach Gewinnmaximierung handeln, kommen statt echter wissenschaftlicher Reputation oder zusätzlicher Forschung übertriebene Werbebotschaften für Investoren und Aktionäre heraus. Solche aufrührerischen Behauptungen zielen auf Aktionäre ab, die vor allem an künftigen Erträgen interessiert sind und kaum in der Lage sind, den tatsächlichen Inhalt zu beurteilen. Das ist eine natürliche Folge davon, Wissenschaft Unternehmen zu überlassen.