IBM Nighthawk r2: Quantenprozessor erzielt in 19 Sekunden 1 Million Samples – Supercomputer benötigt 110 Jahre

Nach Berichten aus dem Ausland hat das amerikanische Forschungsteam von Blue Qubit mit dem neuesten Nighthawk r2 Quantenprozessor von IBM ein Experiment zur zufälligen Schaltungssampling durchgeführt, das in nur 19 Sekunden eine Million Proben generierte. Das Forschungsteam schätzte, dass es etwa 110 Jahre dauern würde, die gleiche Aufgabe mit klassischer Berechnung auf dem Frontier-Supercomputer zu erledigen. Der verwendete IBM Nighthawk r2 supraleitende Quantenprozessor verfügt über 120 programmierbare Qubits, von denen das Team tatsächlich 61 Qubits auswählte, um das Experiment in der standardmäßigen IBM Cloud-Umgebung durchzuführen, ohne zusätzliche spezielle Kalibrierungen oder Anpassungen vorzunehmen.

Das Experiment verwendete das „Random Circuit Sampling“ (RCS), das nicht für praktische Anwendungen wie Medikamentenentwicklung oder Materialsimulation gedacht ist, sondern als Benchmark-Test dient, um die Fähigkeiten von Quanten- und klassischen Berechnungen zu vergleichen. Die Forscher erhöhten kontinuierlich die Komplexität der Quanten-Schaltungen. In dem entscheidenden Test mit 36 Zyklen umfasste die Schaltung 918 doppelte Qubit-Gatter. Der Nighthawk r2 schloss schließlich in einer QPU-Laufzeit von 19 Sekunden eine Million Proben ab und erhielt eine Million Ergebnisse, die aus 0 und 1 bestanden.

Quantenberechnung zeigt signifikanten Rechenvorteil

Das Forschungsteam schätzte anschließend mit der Methode der „Tensor-Netzwerk-Kontraktion“ die Rechenmenge, die ein klassischer Computer benötigen würde, um eine ähnliche Aufgabe zu bewältigen. Die Ergebnisse zeigten, dass es unter gegebenem Maß an Genauigkeit und Sampling-Modell etwa 1,2 × 10²⁷ Maschinenoperationen erfordert, um eine gleich große Million Proben zu erzeugen. Umgerechnet auf die kontinuierliche Leistung des Frontier-Supercomputers würde dies voraussichtlich etwa 110 Jahre in Anspruch nehmen.

Dieses Ergebnis wurde vom Forschungsteam als eine Demonstration des „Quantenvorteils“ bezeichnet, wobei besonders hervorzuheben ist, dass die verwendete Hardware nicht nur in einer Laborumgebung betrieben werden kann, sondern über die IBM-Cloud-Plattform zugängliche kommerzielle Quantenprozessoren sind. Die Forscher veröffentlichten auch die relevanten Schaltungen, Experimentproben und Analysecodes, sodass andere Forscher das Experiment mit demselben IBM-Cloud-Prozessor reproduzieren können.

Allerdings bedeutet „19 Sekunden im Vergleich zu 110 Jahren“ nicht, dass Quantencomputer in allen Aufgabenbereichen den traditionellen Supercomputern überlegen sind. 19 Sekunden ist die tatsächliche QPU-Zeit, die der Quantenprozessor für die Ausführung der Kern-Sampling-Aufgabe benötigt, während 110 Jahre eine Schätzung basierend auf bestimmten klassischen Algorithmen, Berechnungsannahmen und der Leistung des Frontier sind, und nicht die tatsächlich gemessene Zeit, die Frontier für die Ausführung derselben Aufgabe benötigt hat.