Mit Quantenüberlegenheit () wird die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber klassischen Supercomputern bei der Lösung eines komplexen Problems bezeichnet. Gemeint ist der Zeitpunkt, ab dem ein Quantencomputer eine Aufgabe in akzeptabler Zeit lösen kann, für die ein Computer, dessen Technik auf herkömmlicher Digitaltechnik basiert, eine nicht realisierbare Rechenzeit benötigen würde, unabhängig von der Nützlichkeit des Problems.
Bezeichnung und Funktionsweise Geprägt wurde der Begriff durch den theoretischen Physiker John Preskill (2012), die Idee, dass es eine solche Überlegenheit geben könnte, geht aber auf den Mathematiker Yuri Manin (1980) und den Physiker Richard Feynman (1981) zurück.
Für bestimmte Aufgaben sind Quantenalgorithmen bekannt, die deutlich weniger Rechenschritte benötigen als die besten bekannten klassischen Verfahren: Beim Shor-Algorithmus (Faktorisierung) ist der Vorteil superpolynomiell, beim Grover-Algorithmus (Suche in unsortierten Datenmengen) quadratisch. Möglich wird die hohe Rechenleistung einerseits durch Superposition von Qubits, also der Überlagerung von Zuständen von TeilchenJohanna Michaels: FAZ.net: Was bedeutet die Überlegenheit von Googles Quantencomputer, abgerufen am 4. November 2019 und andererseits durch Quantenverschränkung.
Die Leistungsfähigkeit von Quantenschaltungen beruht darauf, dass der Zustand von n Qubits durch 2n komplexe Amplituden beschrieben wird, deren klassische Simulation mit wachsendem n exponentiell aufwendig wird. Abrufbar sind aus n Qubits allerdings höchstens n Bit Information (Holevo-Theorem); ein Rechenvorteil entsteht daher nicht dadurch, dass viele Werte gleichzeitig gespeichert werden, sondern nur bei Problemen, deren Struktur sich durch Interferenz der Amplituden ausnutzen lässt.
50 Qubits galten lange als die Mindestgröße, ab der Quantencomputer Berechnungen durchführen könnten, die auf klassischen Computern eine undurchführbar lange Zeit benötigen würden.
Geschichte Am 23. Oktober 2019 behaupteten Google-Forscher in einem in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel, Quantenüberlegenheit erreicht zu haben. Der von Google entwickelte Quantenprozessor Sycamore, der funktionierende 53 Qubits enthält, habe ein Problem in 200 Sekunden gelöst, für das der fortschrittlichste Supercomputer Summit von IBM etwa 10.000 Jahre gebraucht hätte. Der Konkurrent IBM bezweifelt das. Googles Rechnung enthalte einen Fehler. IBM zufolge könnten klassische Systeme dieses Problem in etwa 2,5 Tagen lösen.
Im Dezember 2020 verkündeten chinesische Forscher, dass ihr Quantencomputer-System Jiuzhang Quantenüberlegenheit erreicht hat. Als photonisches System, das bis zu 76 Photonen in 100 optischen Moden nachwies (dies sind keine Qubits im engeren Sinn, und das Gerät ist nicht frei programmierbar), weist es eine Reihe von Vor- und Nachteilen gegenüber dem elektronischen Sycamore auf.
Literatur Durchbruch bei Quantenrechnern. (Titelthema) In: Technology Review (deutsche Ausgabe), Nr. 12/2019, S. 44–53; mit mehreren Artikeln zum Thema
Weblinks Originalartikel: Frank Arute, Kunal Arya, […], John M. Martinis: Quantum supremacy using a programmable superconducting processor auf nature.com (englisch) Michael J. Hartmann, Frank Deppe: Erste Demonstration von Quantenüberlegenheit: Der Sycamore-Quantenprozessor von Google In: Physik in unserer Zeit 4. Januar 2021 Online
Einzelnachweise
Kategorie:Quanteninformatik