Von allen gebräuchlichen Refrains in der Computerwelt ist der Satz „Wenn nur die Software mit der Hardware gleichziehen würde“ würde wahrscheinlich einen ziemlich hohen Rang einnehmen. Und doch holt Software manchmal mit Hardware auf. Tatsächlich scheint es, dass dieses Mal Software kann so weit gehen, Quantenberechnungen für klassische Computer freizuschalten. Das sagen Forscher des RIKEN Center for Quantum Computing in Japan veröffentlichte Arbeit auf einem Algorithmus, der eine bestimmte Quantencomputing-Arbeitslast erheblich beschleunigt. Noch wichtiger ist die Arbeitsbelastung selbst – genannt Zeitentwicklungsoperatoren – hat Anwendungen in der Physik der kondensierten Materie und der Quantenchemie, zwei Bereichen, die neue Welten in unserem Inneren erschließen können.
Normalerweise wäre ein verbesserter Algorithmus nicht völlig ungewöhnlich; Updates gibt es schließlich überall. Jedes App-Update, Software-Update oder Firmware-Upgrade bringt im Wesentlichen überarbeiteten Code mit sich, der entweder Probleme löst oder (hoffentlich) die Leistung verbessert. Und verbesserte Algorithmen sind schön, wie jeder bestätigen kann, der eine Grafikkarte von AMD oder NVIDIA besitzt. Aber seien wir ehrlich: Wir sind es gewohnt, von Leistungsupdates enttäuscht zu werden.
Und doch sind die Leistungssteigerungen in diesem Fall außergewöhnlich. Die Ergebnisse könnten tatsächlich kaum beeindruckender sein. Durch den verbesserten Algorithmus (selbst eine Mischung aus Quanten- und klassischen Methoden) können zukünftige Quantencomputer einfacher gestaltet werden, als wir es für möglich gehalten hätten: Sie werden in der Lage sein, größere Probleme früher als erwartet und zu geringeren Kosten zu lösen. Aber die Leistungssteigerungen hören hier nicht auf. Sie könnten es herkömmlichen Maschinen ermöglichen, Komplexitätsgrade zu verarbeiten, die angeblich nur ein Quantencomputer lösen könnte.
„Zeitentwicklungsoperatoren sind riesige Zahlengitter, die das komplexe Verhalten von Quantenmaterialien beschreiben“, erklärte Kaoru Mizuta vom RIKEN Center for Quantum Computing. „Sie sind von großer Bedeutung, weil sie Quantencomputern eine sehr praktische Anwendung ermöglichen – ein besseres Verständnis der Quantenchemie und der Physik von Festkörpern.“
Durch die Algorithmusverbesserung entfällt die bisher bei Quantencomputern eingesetzte Trotterisierungstechnik, von der bereits vermutet wurde, dass sie für eine langfristige Skalierung nicht nachhaltig ist. Das liegt daran, dass die Technik eine enorme Anzahl von Quantengattern erfordert, wobei jedes Gatter eine variable Anzahl von Qubits benötigt, die für die Ausführung einer bestimmten Funktion programmiert sind. Sogar IBMs Condor QPU (Quantum Processing Unit) mit einer Anzahl von 1.121 Qubits, die dieses Jahr auf den Markt kommen soll, würde kaum in der Lage sein, so viele Quantengatter zu ermöglichen, wie Trotterization voraussichtlich für Workloads erfordern wird, die im Quantencomputing tatsächlich von Bedeutung sind Bedingungen.
Nein, Quantencomputing wird in unseren Smartphones nicht stattfinden. In gewisser Weise könnten die heutigen supraleitenden Kühlschränke mit denen verglichen werden ENIAC aus der Zeit vor dem Aufkommen integrierter Mikrochips. Oder von diesem Punkt aus zum Äquivalent der schnellsten CPUs oder besten GPUs von heute übergehen. Das ist der Weg, der für Quantum vor uns liegt – ein Weg, auf dem der Startschuss noch fällt.