Das Quantenthema: Man kennt die Zukunft nie wirklich

Seit über einem Jahrzehnt wird darüber diskutiert, ob ein Quantencomputer eine realistische Bedrohung für das Bitcoin-Netzwerk darstellt. Als ich Bitcoin selbst entdeckte, war das vor über 13 Jahren ein ernsthaft diskutiertes Thema.

Seit damals, als ich noch ein tollpatschiger Idiot war und herauszufinden versuchte, was hier eigentlich vor sich ging, wurden sowohl in der Theorie als auch in der praktischen Technik erhebliche Fortschritte erzielt.

Seitdem wurden zwei wichtige Meilensteine erreicht, die die Wahrscheinlichkeit deutlich erhöhen, dass irgendwann im nächsten Jahrzehnt oder so tatsächlich ein einsatzfähiger Quantencomputer gebaut wird. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass er irgendwann überall verbreitet oder selbst für Menschen mit viel Kapital leicht zugänglich sein wird.

Es ist jedoch durchaus möglich, dass in naher Zukunft mehrere einsatzfähige Maschinen gebaut werden.

Fortschritte bei der Fehlerkorrektur

Die erste große Verbesserung betrifft die Fehlerkorrektur. Um das inhärente Rauschen bei der Arbeit in einem derart winzigen Maßstab auszugleichen, müssen mehrere redundante physische Qubits eingesetzt werden, damit ein logisches Qubit entsteht, das sich in der Praxis für Berechnungen eignet.

Der bisherige Stand der Technik waren Oberflächencodes: Dabei werden mehrere physische Qubits in einem Raster zusammengefasst. Einige davon dienen als Prüf-Qubits, die regelmäßig ihre Nachbar-Qubits „überprüfen“, um sicherzustellen, dass in der Superposition keine internen Fehler aufgetreten sind, ohne diese kollabieren zu lassen. Die freien Stellen in jedem Raster müssen mit Prüf-Qubits besetzt werden.

Diese Anforderung an Prüf-Qubits verursacht einen zusätzlichen Aufwand, der insgesamt fast 1.000 physische Qubits pro logischem Qubit betragen kann. Bei einer Skalierung wird das zum Problem, weil Prüf-Qubits nur die direkt benachbarten Qubits überprüfen können. Daher muss jede Qubit-Gruppe Prüf-Qubits in gleichmäßigen Abständen enthalten.

Quanten-Low-Density-Parity-Check-Codes (qLDPC) beseitigen diesen Engpass. Sie ermöglichen es Prüf-Qubits, auch Qubits in größerer Entfernung auf dem Gerät zu überprüfen – entweder durch verschlungene Leiterbahnen, die über verschiedene Chipbereiche hinweg kommunizieren, oder durch die physische Bewegung von Atomen wie beim Neutralatom-Design. Dadurch konnte die Zahl der benötigten physischen Qubits für ein zuverlässiges logisches Qubit um das 10-Fache reduziert werden.

Das ist keineswegs zu unterschätzen. Auch wenn es sich nicht um eine voll funktionsfähige Maschine handelt, die ihre Effizienz weiter steigert, bedeutet es doch einen erheblichen Effizienzgewinn bei den technischen Verfahren, auf denen der Bau eines voll funktionsfähigen Quantencomputers beruht.

Fortschritte beim Nachweis grundlegender Annahmen

Der zweite Fortschritt betrifft eine grundlegendere Frage: Stimmt die Annahme, dass mehr physische Qubits das Gesamtrauschen im System verringern, anstatt es zu erhöhen? Das ist nach wie vor weitgehend Theorie. Außerdem sollte man bedenken, dass es bis heute keinen voll funktionsfähigen Quantencomputer gibt, der eine Berechnung vollständig und von Anfang bis Ende durchgeführt hat, zu der ein klassischer Computer nicht in der Lage ist.

Google führte mit seinen Sycamore- und später Willow-Chips ein Experiment durch, um die Auswirkungen einer größeren Zahl physischer Qubits experimentell zu überprüfen. Um es ganz klar zu sagen: Dabei wurde nicht demonstriert, wie Berechnungen durchgeführt werden, sondern lediglich, wie Informationen im Speicher gehalten werden können, ohne dass sie verloren gehen.

Google zeigte anhand logischer Qubits, die jeweils aus Gruppen von 17, 49 und 101 physischen Qubits bestanden, dass die logische Fehlerrate – also die Häufigkeit einer Datenkorruption – mit steigender Zahl physischer Qubits sank. Dieser Test überschritt einen entscheidenden Schwellenwert: Das aus den einzelnen physischen Qubits gebildete logische Qubit behielt seine Kohärenz länger als jedes einzelne physische Qubit, aus dem es zusammengesetzt war.

Auch hier gilt: Das ist noch kein Sprung hin zu einem voll funktionsfähigen Quantencomputer, der Berechnungen ausführt, zu denen klassische Maschinen nicht in der Lage sind. Es ist jedoch ein bedeutender Fortschritt beim Nachweis einer der grundlegenden Annahmen, auf denen Quantencomputer beruhen.

KI

In diesem Bereich finden wir auch für andere Herausforderungen bessere Lösungen. Künstliche Intelligenz ist zu einem wichtigen Bestandteil dieser Systeme geworden. Sie wird eingesetzt, um Informationen aus einem Quantencomputer auszulesen und zu dekodieren – ein großes Hindernis, wenn man ihn in größerem Maßstab nutzen möchte.

KI kommt außerdem bei der Entwicklung neuer Quantenalgorithmen zum Einsatz, die für diese Maschinentypen optimiert sind. Angesichts der jüngsten Fälle, in denen KI dabei geholfen hat, große Probleme auf dem Gebiet der Mathematik zu lösen oder sogar bestehende Vermutungen zu widerlegen, ist es gar nicht so abwegig, mit der Möglichkeit großer, durch KI ermöglichter Durchbrüche zu rechnen.

Auch bei der Entwicklung der physischen Quantenschaltkreise, die mit unterschiedlichen Architekturen gebaut werden, kommen KI-Systeme zum Einsatz. Es ist tatsächlich ein sehr komplexes Problem, die optimale Anordnung von Quantengattern im physischen Raum zu finden: Das Rauschen auf Quantenebene soll minimiert werden, ohne so viel ungenutzten Platz zu schaffen, dass dadurch Latenz, Ineffizienz und andere Probleme entstehen, die gelöst werden müssen.

Dieser Faktor könnte die Fortschritte bei der Lösung der notwendigen grundlegenden Probleme erheblich beschleunigen.

Ausblick

Letztlich läuft es meiner Meinung nach auf eine Frage hinaus: Gilt die Annahme, dass eine größere Zahl physischer Qubits das Rauschen reduziert, auch bei Berechnungen und der aktiven Manipulation von Quanteninformationen?

Wenn diese Annahme zutrifft und nicht irgendwann in naher Zukunft experimentell widerlegt wird, halte ich es für durchaus realistisch, dass in den nächsten zehn Jahren ein einsatzfähiger Quantencomputer gebaut wird.

Es werden enorme Ressourcen in dieses Problem investiert, und es gibt bedeutende, wenn auch nicht überwältigende Fortschritte bei der Lösung einzelner Teilprobleme. Und wenn es grundsätzlich einen Weg gibt, etwas zu erreichen, finden Menschen meist auch heraus, wie es geht.

Ich sage nicht, dass jetzt Panik angesagt ist, aber man sollte diese Möglichkeit nicht außer Acht lassen.