Google beansprucht Durchbruch bei Quantencomputing

Ein neuer Algorithmus soll 13.000 Mal schneller als herkömmliche Computer sein. IBM bleibt Google auf den Fersen und vermeldet ebenfalls einen Durchbruch bei der Echtzeit-Fehlerkorrektur. Und auch Microsoft sowie Amazon investieren in Quantentechnologie.

Google gab im Oktober einen Durchbruch in seiner Quantenforschung bekannt. Das Big-Tech-Unternehmen hat nach eigenen Angaben einen Algorithmus entwickelt, der eine Aufgabe etwa 13.000-mal schneller erledigt als ein normaler Computer. Auch IBM meldete einen Durchbruch. Gemeinsam mit AMD kommt man der Entwicklung großer fehlertoleranter Quantencomputer näher.

Der Algorithmus Quantum Echoes läuft auf Googles eigenem Quantenchip. Der Algorithmus konnte die Struktur eines Moleküls berechnen, was laut Google den Weg für praktische Anwendungen von Quantencomputern in Kombination mit KI ebnet.

„Dies ist das erste Mal in der Geschichte, dass ein Quantencomputer erfolgreich einen überprüfbaren Algorithmus ausgeführt hat, der die Fähigkeiten von Supercomputern übertrifft“, sagte Google in einem Blogbeitrag. „Diese wiederholbare, über die klassische Berechnung hinausgehende Berechnung ist die Grundlage für eine skalierbare Verifizierung und bringt Quantencomputer näher an ihre Verwendung als Werkzeuge für praktische Anwendungen.“

Google räumt jedoch ein, dass die reale Nutzung von Quantencomputern noch Jahre entfernt ist, obwohl das Unternehmen hofft, dass der Quantum Echoes-Algorithmus praktische Anwendung in der Materialwissenschaft und der Arzneimittelforschung finden könnte.

Auch Anwendungen wie die Quantenkryptographie bzw. Post-Quantenverschlüsselung könnten von dem neuen Algorithmus profitieren. Cybersicherheitsexperte Adam Everspaugh, Cryptography Advisor bei Keeper Security sagt: “Googles jüngster Durchbruch im Bereich der Quantenforschung markiert einen Meilenstein, der die Computersicherheit, wie wir sie heute kennen, grundlegend verändern wird. Quantencomputer mit ausreichend Leistung werden die heute breit eingesetzte Public-Key-Verschlüsselung für den Schutz von persönlichen Daten, Finanztransaktionen, Gesundheitssystemen, Cloud-Plattformen, Regierungsabläufen oder kritischen Infrastrukturen unwirksam machen.”

Wie jede Errungenschaft, hat auch Googles Fortschritt eine Kehrseite. “Die unmittelbare Sorge gilt nicht dem, was Quantencomputer heute leisten können,” warnt Everspaugh, “sondern dem, wozu sie in naher Zukunft fähig sein werden – ein Szenario, auf das sich Cyberkriminelle bereits vorbereiten. Sogenannte Zeitkapsel-Angriffe, auch bekannt als Capture now, decrypt later, beschreiben das heutige Abfangen und Speichern von verschlüsselten Daten, welche in Zukunft von Cyberkriminellen unter Einsatz von leistungsfähigen Quantencomputern entschlüsselt werden. Damit lassen sich sensible Informationen, die heute gestohlen werden, in einigen Jahren offenlegen und missbrauchen – sofern sich die Organisationen und Unternehmen nicht rechtzeitig vorbereiten.”

“Der Übergang zu quantenresistenter Kryptographie ist also keine theoretische Überlegung,” so Everspaugh weiter, “sondern eine strategische Notwendigkeit. Regierungen und Aufsichtsbehörden erkennen zunehmend die Dringlichkeit dieser Bedrohung. Branchenübergreifend werden Organisationen dazu angehalten, ihre Kryptographie zu überprüfen sowie Migrationspfade zu planen, um Krypto-agile Frameworks einzuführen, die eine schnelle Anpassung an neue Standards ermöglichen. Führende Technologieunternehmen wie Apple, Google und Cloudflare testen bereits hybride Verschlüsselungsmodelle, die klassische und quantenresistente Algorithmen kombinieren – ein pragmatischer Ansatz, der aktuelle Leistung mit zukünftiger Sicherheit in Einklang bringt.”

Laut Führungskräften bei Google ist die Entwicklung des neuen Algorithmus in etwa genauso wichtig wie der Willow-Chip. In Zusammenhang mit der Vorstellung seines Quantenchips Willow sagte Google bereits vor einem Jahr, dass seine Forschung ein wichtiges Problem mit Qubits gelöst habe. Julian Kelly, Leiter der Hardware-Abteilung bei Google Quantum AI, meinte kürzlich, dass „alle [verbleibenden] technischen und wissenschaftlichen Herausforderungen überwindbar sind“.

Herausforderungen im Quantencomputing

Zu diesen Herausforderungen gehören die Qubits selbst mit ihrem Verhalten und die Entwicklung großer fehlertoleranter Systeme. Neben Google hat auch IBM kürzlich Durchbrüche bei der Fehlerkorrektur erzielt, um die Zuverlässigkeit ihrer Qubits zu verbessern.

“Der Trick beim Quantencomputing ist, dass man in einem bestimmten Quantenzustand bestimmte Dinge berechnen muss”, erklärt Scott Crowder, VP of IBM Quantum Adoption in einem Gespräch mit AMD-CTO Mark Papermaster. “Der Quantenzustand will sich aber mit dem Rest des Universums verflechten. Er will dekoherieren. Er will all die Dinge tun, die es schwierig machen, gute, rauschfreie Berechnungen durchzuführen. Eine der Herausforderungen besteht also darin, wirklich gute Qubits zu bauen. Das ist eine der ersten Herausforderungen.” Eine weitere Hürde ist es, “groß angelegte fehlertolerante Systeme zu entwickeln, mit denen man noch viel komplexere Probleme lösen und alle Arten von Mathematik, von denen ich vorhin gesprochen habe, sowie Probleme aus der realen Welt lösen kann. Was müssen wir also für die Fehlertoleranz tun? Für die Fehlertoleranz muss man im Grunde genommen einen wirklich effizienten Fehlerkorrekturcode entwickeln, der in einem Quantencomputer komplexer ist als in einem klassischen Computer. Und man muss in der Lage sein, diesen so zu entwickeln, dass man sehr effektiv ein modulares System aufbauen kann. Man hat also Blöcke, die eine bestimmte Anzahl logischer Qubits verarbeiten, und man muss diese Blöcke miteinander verbinden, um immer größere Systeme aufzubauen.”

Anders als Google setzt IBM auf Partnerschaften. Wie das Unternehmen aus New York im August ankündigte, sollen CPUs, GPUs und FPGAs von AMD mit IBM-Quantencomputern integriert werden. So will man eine neue Art von Algorithmen effizient beschleunigen, was mit den aktuellen Systemen allein nicht möglich ist. Die AMD-Technologien versprechen Echtzeit-Fehlerkorrektur, was ein wichtiger Teil von fehlertolerantem Quantencomputing ist.

IBM plant bis 2029 die Entwicklung des weltweit ersten hochskalierenden, fehlertoleranten Quantencomputers. IBM Quantum Starling soll voraussichtlich 20.000-mal mehr Operationen ausführen können als heutige Quantencomputer. Ein wichtiges Feature von Starling ist, dass es eine neue fehlertolerante Architektur nutzt, einschließlich einer Quanten-Low-Density-Parity-Check (qLDPC)-Fehlerkorrekturmethode, um die Fehlerempfindlichkeitsbeschränkungen aktueller Quantencomputer zu überwinden.

Auch Amazon und Microsoft investieren in Quantencomputing. Im August wurde in einer SEC-Meldung bekannt, dass Amazon 36,7 Millionen Dollar in IonQ investiert hat, das angeblich das weltweit erste reine Quantencomputing-Unternehmen ist. Microsoft hat Anfang des Jahres seinen eigenen Majorana 1-Quantenchip vorgestellt.