Quantenrechner auf dem Prüfstand

D-Wave ¨C eine spezielle Rechenmaschine mit diesem Namen sorgt seit einigen Jahren unter Informatikern und Physikern f¨¹r Gespr?chsstoff. Die kanadische Herstellerfirma gleichen Namens bewirbt die Maschine als Quantencomputer. Ob die Maschine tats?chlich Quanteneffekte nutzt, wird in der Fachwelt allerdings kontrovers diskutiert. W¨¹rde sie das tun, dann w?re D-Wave weltweit wohl der erste kommerziell erh?ltliche Quantenrechner.

Die Firma hat ihr System an illustre Kunden verkauft, was das Interesse der Wissenschaftsgemeinschaft, von Bloggern und Journalisten weiter befeuert hat. So ging die allererste Maschine 2011 an den amerikanischen R¨¹stungskonzern Lockheed Martin, der sie f¨¹r Tests der University of Southern California in Los Angeles zur Verf¨¹gung stellte. Vergangenes Jahr kaufte Google ein zweites Exemplar. D-Wave kann bestimmte mathematische Probleme, sogenannte Optimierungsprobleme, l?sen, indem es in einem System den Zustand tiefster Energie sucht und findet. Daher ist die Technologie f¨¹r diese Firmen interessant.

Analoges Ger?t, kein Quantencomputer

Doch an D-Wave ist nicht nur umstritten, ob die Maschine tats?chlich Quanteneffekte nutzt. Von Wissenschaftlern und in Blogs wurden auch Zweifel ge?ussert, ob die Maschine ¨¹berhaupt mit Fug und Recht als Computer bezeichnet werden kann. Ausserdem ist umstritten, ob sie schneller rechnet als ein herk?mmlicher Computer. Matthias Troyer, Professor am Institut f¨¹r Theoretische Physik der ETH Z¨¹rich, ist diesen Fragen gemeinsam mit Kollegen der University of Southern California in Los Angeles auf den Grund gegangen und testete das dortige System.

In ihrer nun im Fachmagazin Nature Physics ver?ffentlichten Studie zieht das schweizerisch-amerikanische Forscherteam einen differenzierten Schluss. Zwar best?tigen die Wissenschaftler, dass D-Wave tats?chlich Quanteneffekte nutzt. In weiteren Punkten sind die Forscher aber kritischer: ?D-Wave ist ein analoges Ger?t, ein Prototyp, mit dem man Optimierungsprobleme l?sen kann. Man k?nnte es treffender als programmierbares Quantensimulationsexperiment bezeichnen?, sagt Troyer, der international als Experte auf dem Gebiet gilt. ?Ein universeller Quantencomputer ist D-Wave sicher nicht.?

Quanteneffekte, aber nur kurzfristige

Zu ihren Ergebnissen kamen die Forscher, indem sie tausend unterschiedlich komplexe Rechenaufgaben schrieben und diese je tausendmal auf drei Systemen l?sten: Einmal auf D-Wave und zweimal auf einem Simulationsprogramm f¨¹r Optimierungsprobleme, das auf einem herk?mmlichen Computer lief. Das Simulationsprogramm lief in zwei Modi: einmal unter Ber¨¹cksichtigung von Quanteneffekten und einmal ohne. Dabei notierten die Wissenschaftler f¨¹r jede Aufgabe, wie oft welches System die richtige L?sung lieferte. Es zeigte sich, dass sich D-Wave gleich verhielt wie die Quanteneffekte ber¨¹cksichtigende Simulation, aber anders als die Simulation, die keine Quanteneffekte ber¨¹cksichtigte.

Dieses Resultat erstaunte die Wissenschaftler, denn die Quanteneffekte von D-Wave sind extrem kurzlebig und dauern nur wenige Milliardstelsekunden an. Physiker bezeichnen dies als Koh?renzzeit. Weil es grunds?tzlich rund 500-mal l?nger dauert, ein Optimierungsproblem zu l?sen, ging die Mehrheit der Experten davon aus, dass die Quanteneffekte bei D-Wave schlicht keine Rolle spielen k?nnen. Sie tun es doch, wie die Forscher aus ihren Resultaten schliessen. ?Offensichtlich m¨¹ssen die Quanteneffekte nicht zwingend die ganze Zeit koh?rent sein, um eine Bedeutung zu haben?, erkl?rt Troyer.

Nicht schneller als ein herk?mmlicher Computer

Wenn man bedenkt, dass Quantencomputer vor allem deshalb erforscht werden, weil man sich davon eine massiv gesteigerte Rechengeschwindigkeit verspricht, dann wiegt ein weiteres Fazit der Forscher besonders schwer: D-Wave ist nicht schneller als ein herk?mmlicher Computer.

Die Geschwindigkeit von D-Wave wird in der Fachwelt intensiv diskutiert, vor allem seit eine Publikation einer Computerwissenschaftlerin des Amherst College im Mai des vergangenen Jahres f¨¹r Furore sorgte. Demnach ist D-Wave je nach Rechenaufgabe mehrere Tausend mal schneller als ein klassischer Computer. Die Forscherin untersuchte eine Version von D-Wave, die beinahe der seit einem Jahr existierenden aktuellen Version mit einer Rechenkapazit?t von 512 Quantenbits (Qubits) entspricht. Die Studie der ETH-Forscher hingegen beruht auf der Vorg?ngerversion mit 108 Qubits.

?Wir haben nicht nur gezeigt, dass ein klassischer Computer schneller ist als die 108-Bit-Version von D-Wave?, sagt Troyer dazu. ?Sondern wir haben auch auf einem klassischen Computer dieselben Probleme gel?st, wie sie die neue 512-Qubits-Version oder hypothetische noch leistungsf?higere Maschinen l?sen k?nnen.? Vergleicht man diese Resultate mit jenen der Forscherin vom Amherst College, wird klar: F¨¹r die durchgef¨¹hrten Tests ist D-Wave stets langsamer als ein klassischer Computer. Laut Troyer ist das Problem der Amherst-Studie, dass sie schnelle Algorithmen f¨¹r D-Wave mit langsameren Algorithmen f¨¹r klassische Computer verglichen hat. ?Wir haben optimierte Algorithmen f¨¹r klassische Computer entwickelt. Damit k?nnen wir D-Wave auch in der aktuellen 512-Qubit-Version schlagen?, so Troyer. ?Derzeit weiss niemand, ob ein zuk¨¹nftiges Quantensystem wie D-Wave mit mehr Qubits gegen¨¹ber klassischen Systemen ¨¹berhaupt Vorteile bringt. Dies ist eine wichtige Frage, welcher wir zurzeit mit Experimenten auf der 512-Qubit Maschine nachgehen.?