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Die Coolen und die Supercoolen Was ist Quantum Supremacy und wann wird sie erreicht?

Autor / Redakteur: Holm Landrock* / Ulrike Ostler

Der Kampf wird heiß: Während Supercomputer heute oft mit Warmwasser gekühlt werden, sind Quantencomputer derzeit nur nahe dem absoluten Nullpunkt „berechenbar“. Doch sobald Quantencomputer die klassischen Supercomputer überholen werden, ist die Quantum-Supremacy oder Quantenüberlegenheit erreicht.

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Noch ist der Einsatz von Quantencomputern mit vielen Einschränkungen verbunden; trotzdem gibt es kaum Zweifel, dass die Leistungen, die damit erbracht werden können, schon bald denen, die herkömmlicher Computer, überflügeln werden. Doch wie bald? Das ist die offene Frage.
Noch ist der Einsatz von Quantencomputern mit vielen Einschränkungen verbunden; trotzdem gibt es kaum Zweifel, dass die Leistungen, die damit erbracht werden können, schon bald denen, die herkömmlicher Computer, überflügeln werden. Doch wie bald? Das ist die offene Frage.
(Bild: D-Wave Systems)

Die Quantum Supremacy (deutsch: Quantenüberlegenheit) beschreibt den Zeitpunkt, zu dem die Rechner, die mit Photonen arbeiten, bislang übliche Supercomputer mit Silizium-basierenden Prozessoren in der Leistungsfähigkeit überholen. So der Grundgedanke. Einige Forscher sind überzeugt, dass die Quantenüberlegenheit bereits erreicht wurde.

Nach Angaben von Google war dieser Moment im Herbst 2019. Google ließ in der Zeitschrift „Nature“ verlautbaren, dass ihr Quantencomputer einen Supercomputer von IBM überholt hätte. Eine Code-Sequenz zum pseudo-randomisierten Generieren von Quantenschaltkreisen hätte demnach sehr, sehr viel schneller als ein Supercomputer berechnet werden können. IBM feuerte sofort zurück und erklärte: Ihr Supercomputer hätte für diese Aufgabe nicht 10.000 Jahre, sondern nur 2,5 Jahre arbeiten müssen.

Das Handtuch auf der Liege

Nun muss man bei diesen Vergleichen – so großartig jeder einzelne Erfolg in diesem spannenden Forschungsgebiet für sich ist – jedoch auch den schnöden Kommerz im Blick behalten. Will man einen guten Platz am Pool, legt man eben ein Handtuch auf den Liegestuhl.

Zum Verständnis der Quantenüberlegenheit gehört auch, dass sich viele Aufgaben, die in Supercomputern berechnet werden, unter Umständen gar nicht für die Verarbeitung durch einen Quantencomputer eignen. Zudem wäre es für einen direkten Vergleich zweier völlig unterschiedlicher Technologien zunächst angebracht, eine vergleichbare Aufgabe zu finden.

Supercomputer lassen sich untereinander in ihrer Leistung beispielsweise recht gut mit dem Linpack- und weiteren Benchmark-Tests vergleichen. Diese Tests gelten als Industriestandard-Benchmarks. Seit einigen Jahren liefert die Green-500-Liste sogar den Vergleich der Energie-Effizienz von Supercomputern.

Das gibt es für Quantencomputer noch nicht, weder untereinander noch im Vergleich zu klassischen Digitalcomputern. Google verwendete eine Art Zufallsalgorithmus, der bei jeder Interaktion komplexer wurde. Die Annahme der Forscher ist, dass klassische Supercomputer in Schwierigkeiten kommen, wenn die Anzahl der Qubits und die Anzahl der Gatter-Zyklen zunimmt. Der Quantencomputer, mit dem die Quantenüberlegenheit rechnerisch nachgewiesen wurde, lief bei einer Temperatur von 20 Millikelvin.

Unter den Entwicklern von Systemen zur photonischen Informationsverarbeitung besteht ein Konsens, dass die eigentliche Problematik derzeit darin besteht, praktische Anwendungen zu finden, die die hohe Verarbeitungsleistung von Quantencomputern ausschöpfen.

Die Zukunft der photonischen Systeme

Noch sind wir ein gutes Stück davon entfernt, zum Beispiel die Verbrennung in einer Raketenantriebsstufe oder seismische Analysen (was mit Supercomputern recht gut gelingt) mit einem Quantencomputer zu berechnen. Noch haben die Supercomputer den nicht zu unterschätzenden Vorteil, dass sie zwar eine Klima-Anlage benötigen, sonst aber bei eher normalen Raumtemperaturen arbeiten können. Der Quantencomputer benötigt hier noch eine mit geringen Toleranzen auf nahezu den absoluten Nullpunkt herunter gekühltes System.

Wir werden also in den nächsten Jahren noch eine Anzahl von Nachrichten wahrnehmen, wonach ein photonisches System ein siliziumbasierendes, digitales System in einer gewissen Hinsicht überholt, also die Quantum Supremacy erreicht, hat. Jedes Mal wird es Meinungen geben, die die Vergleichbarkeit der Algorithmen, der Technik, der Energieeffizienz oder der Gesamtsystemkosten anzweifeln werden.

* Holm Landrock ist freier Autor und lebt in Dresden.

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