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Neuartiger Rechner auf dem Prüfstand

17.03.2014

Eine neuartige Rechenmaschine erregt in der Fachwelt Aufsehen. Handelt es sich dabei um den ersten käuflichen Quantencomputer?

Ein Team unter der Leitung von ETH-Professor Matthias Troyer bestätigt nun, dass die Maschine Quanteneffekte nutzt. Schneller als ein herkömmlicher Computer ist sie aber nicht.

D-Wave – eine spezielle Rechenmaschine mit diesem Namen sorgt seit einigen Jahren unter Informatikern und Physikern für Gesprächsstoff. Die kanadische Herstellerfirma gleichen Namens bewirbt die Maschine als Quantencomputer.

Ob die Maschine tatsächlich Quanteneffekte nutzt, wird in der Fachwelt allerdings kontrovers diskutiert. Würde sie das tun, dann wäre D-Wave weltweit wohl der erste kommerziell erhältliche 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 Rüstungskonzern Lockheed Martin, der sie für Tests der University of Southern California in Los Angeles zur Verfügung stellte. Vergangenes Jahr kaufte Google ein zweites Exemplar.

D-Wave kann bestimmte mathematische Probleme, sogenannte Optimierungsprobleme, lösen, indem es in einem System den Zustand tiefster Energie sucht und findet. Daher ist die Technologie für diese Firma interessant.

Analoges Gerät, kein Quantencomputer

Doch an D-Wave ist nicht nur umstritten, ob die Maschine tatsächlich Quanteneffekte nutzt. Von Wissenschaftlern und in Blogs wurden auch Zweifel geäussert, ob die Maschine überhaupt mit Fug und Recht als Computer bezeichnet werden kann. Ausserdem ist umstritten, ob sie schneller rechnet als ein herkömmlicher Computer. Matthias Troyer, Professor am Institut für Theoretische Physik der ETH Zürich, 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 veröffentlichten Studie zieht das schweizerisch-amerikanische Forscherteam einen differenzierten Schluss. Zwar bestätigen die Wissenschaftler, dass D-Wave tatsächlich Quanteneffekte nutzt.

In weiteren Punkten sind die Forscher aber kritischer: «D-Wave ist ein analoges Gerät, ein Prototyp, mit dem man Optimierungsprobleme lösen kann. Man könnte 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 lösten: Einmal auf D-Wave und zweimal auf einem Simulationsprogramm für Optimierungsprobleme, das auf einem herkömmlichen Computer lief. Das Simulationsprogramm lief in zwei Modi: einmal unter Berücksichtigung von Quanteneffekten und einmal ohne. Dabei notierten die Wissenschaftler für jede Aufgabe, wie oft welches System die richtige Lösung lieferte. Es zeigte sich, dass sich D-Wave gleich verhielt wie die Quanteneffekte berücksichtigende Simulation, aber anders als die Simulation, die keine Quanteneffekte berücksichtigte.

Dieses Resultat erstaunte die Wissenschaftler, denn die Quanteneffekte von D-Wave sind extrem kurzlebig und dauern nur wenige Milliardstelsekunden an. Physiker bezeichnen dies als Kohärenzzeit. Weil es grundsätzlich rund 500-mal länger dauert, ein Optimierungsproblem zu lösen, ging die Mehrheit der Experten davon aus, dass die Quanteneffekte bei D-Wave schlicht keine Rolle spielen können. Sie tun es doch, wie die Forscher aus ihren Resultaten schliessen. «Offensichtlich müssen die Quanteneffekte nicht zwingend die ganze Zeit kohärent sein, um eine Bedeutung zu haben», erklärt Troyer.

Nicht schneller als ein herkömmlicher 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 herkömmlicher 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 für 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 Rechenkapazität von 512 Quantenbits (Qubits) entspricht. Die Studie der ETH-Forscher hingegen beruht auf der Vorgängerversion 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 gelöst, wie sie die neue 512-Qubits-Version oder hypothetische noch leistungsfähigere Maschinen lösen können.» Vergleicht man diese Resultate mit jenen der Forscherin vom Amherst College, wird klar: Für die durchgeführten Tests ist D-Wave stets langsamer als ein klassischer Computer. Laut Troyer ist das Problem der Amherst-Studie, dass sie schnelle Algorithmen für D-Wave mit langsameren Algorithmen für klassische Computer verglichen hat. «Wir haben optimierte Algorithmen für klassische Computer entwickelt. Damit können wir D-Wave auch in der aktuellen 512-Qubit-Version schlagen», so Troyer. «Derzeit weiss niemand, ob ein zukünftiges Quantensystem wie D-Wave mit mehr Qubits gegenüber klassischen Systemen überhaupt Vorteile bringt. Dies ist eine wichtige Frage, welcher wir zurzeit mit Experimenten auf der 512-Qubit Maschine nachgehen.»

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Quanten-Annealing mit D-Wave

Eine unvollkommene Kristallstruktur von Metallen oder Glas lässt sich verbessern, wenn man das Material zum Glühen bringt und anschliessend kontrolliert abkühlt. Im heissen Material haben die Atome eine gewisse Bewegungsfreiheit, womit sie sich in einem vollkommeneren Kristallgitter neu anordnen können. Diese Handwerkstechnik ist Jahrtausende alt und wird auf Deutsch als Ausheizen, auf Englisch als Annealing bezeichnet. Eine vergleichbare Methode kommt seit 30 Jahren auch in der Computerwissenschaft als Optimierungsverfahren zum Einsatz. Auch diese wird als Annealing bezeichnet.

Eine typische Frage, die mit dieser Methode beantwortet werden kann, ist jene nach dem tiefsten Punkt einer Landschaft. Zur Veranschaulichung kann man sich ein Gedankenexperiment vorstellen, in dem sich in einer Landschaft eine Kugel befindet, der temperaturabhängig Stösse versetzt werden. Bei hohen Temperaturen kann die Kugel in der ganzen Landschaft umherhüpfen, je tiefer die Temperatur ist, desto schlechter kann die Kugel Berge überwinden. Wiederholt man nun ein Experiment mehrere Male, in dem man bei hohen Temperaturen beginnt und langsam abkühlt, dann wird sich die Kugel am Ende der Versuche gehäuft am tiefsten Punkt der Landschaft befinden.

Wenn das D-Wave-System ein Optimierungsproblem löst, geht es nach einem ähnlichen Verfahren vor, wobei zusätzlich die Quantenphysik und damit Tunneleffekte eine Rolle spielen: Die Kugel – um beim Beispiel zu bleiben – ist auch in der Lage, die Berge der Landschaft zu untertunneln. Bei D-Wave bewegen sich allerdings keine Kugeln. Vielmehr wirken einzelne supraleitende Schaltkreise als Quantensimulatoren beziehungsweise künstliche Atome. Dazu muss das System auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts gekühlt werden. Die Schaltkreise simulieren den Spin von Atomen. Es gibt den Spin «rauf» und den Spin «runter» sowie – weil die Quantenphysik eine Rolle spielt – auch eine Überlagerung der Spins, den Zustand «sowohl rauf als auch runter». In den Schaltkreisen von D-Wave werden die Spins durch die Fliessrichtung von Strom simuliert. Physiker nennen das Optimierungsverfahren von D-Wave Quanten-Annealing.

Literaturhinweis

Boixo S, Rønnow TF, Isakov SV, Wang Z, Wecker D, Lidar DA, Martinis JM, Troyer M: Evidence for quantum annealing with more than one hundred qubits. Nature Physics, 2014, doi: 10.1038/nphys2900 [http://dx.doi.org/10.1038/nphys2900]

Fabio Bergamin | ETH Zürich

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