In dem, was Experten als den 'Heiligen Gral' des Quantencomputings bezeichnen, ist es Forschern erstmals gelungen, eine bedingungslose exponentielle Beschleunigung gegenüber klassischen Computern zu demonstrieren – ein theoretisches Versprechen, das bislang nur auf dem Papier existierte.
Der Durchbruch gelang einem Team unter der Leitung von Daniel Lidar, Professor für Ingenieurwesen an der USC und Experte für Quantenfehlerkorrektur, in Zusammenarbeit mit Kollegen der USC und der Johns Hopkins University. Mithilfe von zwei der 127-Qubit-Eagle-Quantenprozessoren von IBM, die über die Cloud ferngesteuert wurden, bearbeiteten die Forscher eine Variante des sogenannten 'Simons Problems' – einer mathematischen Herausforderung zur Suche nach verborgenen Mustern, die als Vorläufer des Faktorisierungsalgorithmus von Shor gilt.
"Bisher gab es Demonstrationen eher bescheidener Beschleunigungen, etwa einer polynomiellen Beschleunigung", erklärt Lidar. "Aber eine exponentielle Beschleunigung ist die dramatischste Form der Beschleunigung, die wir von Quantencomputern erwarten."
Besonders bedeutsam an diesem Erfolg ist, dass die Beschleunigung "bedingungslos" ist – sie beruht also nicht auf unbewiesenen Annahmen über klassische Algorithmen. Frühere Behauptungen eines Quantenvorteils setzten voraus, dass es keinen besseren klassischen Algorithmus zum Vergleich gibt. Die in dieser Forschung demonstrierte Leistungslücke verdoppelt sich etwa mit jeder zusätzlichen Variable, was bei steigender Komplexität des Problems einen uneinholbaren Vorteil schafft.
Das Team überwand die größte Herausforderung des Quantencomputings – Rauschen und Fehler – durch den Einsatz mehrerer ausgefeilter Techniken, darunter das sogenannte "dynamische Entkoppeln". Dabei werden speziell abgestimmte Pulsfolgen verwendet, um Qubits von ihrer störanfälligen Umgebung zu isolieren. Diese Methode hatte den größten Einfluss auf den Nachweis der quantenmechanischen Beschleunigung.
Lidar warnt zwar, dass "dieses Ergebnis keine praktischen Anwendungen über das Gewinnen von Ratespielen hinaus hat" und noch viel Arbeit nötig ist, bevor Quantencomputer reale Probleme lösen können, doch der Erfolg belegt eindeutig, dass Quantencomputer ihr theoretisches Versprechen einlösen können. Die Forschung weist auf eine Zukunft hin, in der Quantencomputing Bereiche wie künstliche Intelligenz, Kryptografie, Wirkstoffforschung und Materialwissenschaften revolutionieren könnte, indem es bislang unlösbare Rechenprobleme angeht.