Der Wettlauf zur Praxistauglichkeit
»Quantenvolumen ist die zentrale Leistungskennzahl«
Was hinter der Kennzahl »Quantenvolumen« (QV) steckt, weshalb Ionenfallen-Systeme derzeit besonders hohe Leistungswerte erreichen und wie sich Quantenprozessoren künftig über »Flying«-Qubits vernetzen lassen, erklärt Alexander Erhard, Quantum Engineer bei AQT, im Interview mit Markt &Technik.
Markt&Technik: Warum halten Sie die Kennzahl »Quantenvolumen« für aussagekräftig, um die Leistung eines Quantencomputers bewerten zu können?
Alexander Erhard: Der QV-Test wurde von einigen Wissenschaftlern bei IBM entwickelt (siehe Veröffentlichung https://link.aps.org/accepted/10.1103/PhysRevA.100.032328).
In der Gruppe hatte auch Jay Gambetta mitgearbeitet, der jetzige Research Director. Der Aussagewert der Quantenvolumen-Tests ist äußerst hoch, weil alle »Basis«-Komponenten eines »Standard«-Quantencomputers, wie Zustandspräparierung, Zustands-messung und Quantengatter gut funktionieren müssen. Unsere Entwicklung verläuft sehr gut, was unter anderem dazu führt, dass beispielsweise unser neuer Quantencomputer »LYNX« ein höheres Quantenvolumen erreichen konnte als alle andern Quantencomputer von IBM bisher.
Anscheinend streut der Wert sehr stark: Quantinuum kommt auf 33 Millionen, IBM auf 2048, IQM auf 256. Warum gibt es diese großen Unterschiede?
Weil der Wert exponentiell skaliert, mit QV=2 hoch N. Beispielsweise erreicht Quantinuum 2 hoch 25, AQT 2 hoch 15, IBM 2 hoch 11, IQM 2 hoch 8. Expertinnen sprechen daher meist nur N an. Am Ende skaliert die Rechenleistung eines Quantencomputers aber auch exponentiell für manche Probleme. Deshalb ist der exponentielle Wert nicht ganz unbrauchbar. Die große Streuung liegt am Ende aber auch daran, dass Ionenfallen-Quantencomputer sehr gut funktionieren, weil sie sehr geringe Fehlerraten aufweisen.
Als ein Nachteil von QV wird offenbar von einigen Experten gesehen, dass es sich auf nicht fehlerkorrigierte Systeme bezieht. Echte Anwendungen benötigen aber Fehlerkorrektur. Also sei es viel interessanter zu wissen, wie viele logische Qubits ein System erreicht. Dabei besteht ein logisches Qubit aus über 1000 physikalischen Qubits. Also wären viele Tausende logische Qubits nötig, um auch nur in die Nähe eines Niveaus zu kommen, auf dem sich etwas annähernd Sinnvolles berechnen ließe. Was wohl nicht so schnell zu erreichen sein wird. Wie sehen Sie dies? Ist das zu pessimistisch?
Weder die Aussage, dass Fehlerkorrektur zwingend notwendig ist, noch dass QV-Tests nicht für fehlerkorrigierte Systeme anwendbar sind, sind richtig.
Ein relevanter Kritikpunkt bezüglich der QV-Tests betrifft die Skalierbarkeit. Da für die Bestimmung der theoretisch zu erwarteten Ergebnisse eine klassische Simulation erforderlich ist, wird es langfristig nicht mehr möglich sein, diese Tests durchzuführen, weil die theoretisch zu erwarteten Ergebnisse nur noch von Quantencomputern erzeugt werden können und nicht mehr von klassischen Rechnern.
Ab wann genau QCs sinnvolle Berechnungen durchführen können, hängt zum einen davon ab, was als »sinnvoll« definiert wird, und zum anderen von der Entwicklung in verschiedenen Bereichen, an denen derzeit mit Hochdruck gearbeitet wird. Generell lässt sich derzeit sagen, dass die Entwicklung sehr positiv aussieht.
Wie viele logische Qubits wären aus Ihrer Sicht erforderlich, damit ein Quantencomputer sinnvolle Aufgaben ausführen könnte?
Noch bevor logische Qubits eingesetzt werden, wird es wahrscheinlich Systeme geben, die mit guten physikalischen Qubits schwierige Probleme lösen können. Wie viel das genau sein werden, ist schwer zu sagen, aber mindestens 50 bis einige 100 sollten relativ bald technisch realisierbar sein.
Heute kommt es vor allem darauf an, die Systeme skalierbar zu machen. Eine große Hürde ist hier die Ansteuerung der Qubits über zahlreiche Kabel pro Qubit. Das wäre mit den heutigen Techniken nicht zu machen. Sehen Sie einen Ansatz, wie sich das Problem bei den Ionenfallen, die AQT verwendet, lösen lässt?
Der Begriff Skalierbarkeit ist leider nicht wirklich klar definiert und wird von vielen Parteien unterschiedlich interpretiert. Es ist stets wichtig zu beachten, dass die reine Anzahl der Qubits nur wenig bedeutet, sondern die Anzahl der Qubits und die Fehlerrate der Operationen gemeinsam betrachtet werden müssen. Genau das ist es auch, was das QV im Prinzip beschreibt. In Bezug auf die Anzahl der Qubits stehen Ionenfallen-Quantencomputer bis zu einer Größe von einigen 1000 Qubits sehr gut da, weil Ionenfallen-Systeme auf einem einzigen Chip (oder Chip-Verbund) mittels Ionen-Transport realisiert werden können. Weil Ionenfallen-Systeme derzeit noch nicht an fundamentale Grenzen stoßen, wird es wahrscheinlich auch möglich sein, die Fehlerrate in unerreichte Größenordnungen zu drücken. Ein weiterer Vorteil von Ionenfallen-QCs ist deren extrem lange Qubit-Lebensdauer. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig in Hinblick auf Fehlerkorrektur, aber auch für die weitere Skalierung. Für diese beiden und viele weitere zukünftige Methoden ist es wichtig, dass die Quanteninformation lange gespeichert werden kann, damit die klassische Soft- und Hardware Zeit hat, zu reagieren.
Wie ließen sich Ionenfallen-Quantencomputer künftig weiter skalieren?
Für die weitere Skalierung wird es wichtig sein, Quantenprozessoren (QPUs) miteinander zu verbinden. Ionenfallen-QPUs bieten hier inhärent die Möglichkeit, die Quanten-Information von den stationären Ionen auf »Flying«-Qubits, also auf Photonen, zu übertragen. Damit können QPUs zukünftig miteinander vernetzt werden und die Anzahl der Qubits kann weiter gesteigert werden. Auch hier sind die gezeigten Fehlerraten allen anderen Plattformen weit voraus. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Ionenfallen-Quantencomputer bei zentralen Leistungsindikatoren – Gattergüte, Präparations- und Auslesegüte, Lebensdauer, Kohärenzzeit und vieles mehr – alle anderen Plattformen um ein Vielfaches übertreffen. Es ist dabei wichtig, dass wir diese Feststellung nicht auf theoretische Modelle oder Schätzungen stützen, sondern auf Ergebnisse, die in Labors experimentell nachgewiesen und in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. Wir bei AQT verfügen über das erforderliche Fachwissen in allen Bereichen, um diese Entwicklung voranzutreiben, und arbeiten intensiv an unseren Next-Generation-Geräten.