Wettrennen zwischen Quanten-Annealern und Supercomputern

„Diese Arbeit ist eine interessante Demonstration der physikalischen Untersuchung eines klassischen Spin-Glas-Modells (physikalisches Modell, das die Wechselwirkung der quantenmechanischen Eigenschaft des Eigendrehimpulses (Spin) einer Anordnung vieler Teilchen beschreibt; Anm. d. Red.).“

„Die Autor:innen verwenden einen Quanten-Annealer (oder äquivalent einen adiabatischen Algorithmus), um den niedrigsten Energiezustand eines klassischen Ising-Modells mit zufälligen Kopplungen (ein Modell, um die Wechselwirkung vieler Teilchen miteinander zu beschreiben, wobei bestimmte Anfangsbedingungen zufällig gewählt sind; Anm. d. Red.) zu präparieren. Ihr Experiment reproduziert Merkmale der theoretischen Berechnungen, die zuvor schon mit analytischen Methoden für das klassische Ising-Modell gezeigt wurden. Außerdem wird das Experiment in angemessen großen Maßstäben mit bis zu etwa 500 Qubits durchgeführt.“

„Bei jeder Behauptung einer ‚Quantenüberlegenheit‘ oder eines ‚Quantenvorteils‘ ist eine rigorose Begründung erforderlich, dass klassische Methoden tatsächlich Schwierigkeiten bei der Lösung des Problems haben. Dabei sind zwei Perspektiven zu berücksichtigen.“

„Erstens: Kann ein klassischer Algorithmus das durchgeführte Quantenexperiment ‚simulieren‘? Da Quantenexperimente gut kontrolliert werden müssen und je nach Hardware eine theoretische Beschreibung vorliegt, könnte man also versuchen, einen klassischen Algorithmus zur Simulation des Experiments zu verwenden. In dieser Studie nutzen die Autoren adäquater Weise Tensor-Netzwerke (Methoden, um Systeme, die aus vielen Teilchen bestehen, zu simulieren; Anm. d. Red.) als Vergleichsmethode für die klassische Simulation des Experiments. Tensor-Netzwerk-Methoden sind weithin anerkannt und werden als State-of-the-Art-Methoden zur Simulation großer Quantensysteme eingesetzt. Die Autoren stellen fest, dass ihr Experiment für kleine Versuchsaufbauten mit Ergebnissen der Tensor-Netzwerk-Methoden übereinstimmt und bei größeren Aufbauten besser abschneidet als die klassische Simulation. Sie kommen daher zu dem Schluss, dass ihr Annealer konkurrenzfähig zu solchen Methoden ist. Die Autoren verwenden jedoch nicht die alternative Pauli-Pfad-Methode (Methode, die bei der Simulation von Vielteilchen-Systemen eingesetzt wird; Anm. d. Red.). Sie wurde in den letzten zwei Jahren entwickelt und ist speziell dafür bekannt, Quantensimulatoren zu übertreffen, die keine Fehlerkorrektur durchführen [1].“

„Zweitens: Kann ein klassischer Algorithmus das Problem ‚lösen‘, das mit dem Quantenexperiment gelöst werden sollte? Eine der Hauptaussagen des Papers ist nicht nur der ‚Quantenvorteil‘, sondern auch der ‚Quantenvorteil für nützliche Probleme‘. Deswegen ist es wichtig, den Quanten-Annealer auch mit klassischen Algorithmen zu vergleichen, die das Problem direkt und ohne Quantensimulation lösen. Soweit ich das beurteilen kann, wurde dies in der vorliegenden Studie nicht getan. Tatsächlich ist für die Art der Probleme, die die Autoren lösen (Ising-Modelle mit zufälligen Kopplungen), theoretisch bekannt, dass klassische Message-Passing-Algorithmen (Computer-Rechentechniken, um etwa Optimierungsprobleme zu lösen; Anm. d. Red.) für einige Spin-Glas-Modelle effizient sind [2] – es könnte sein, dass das Experiment der Autoren in der Praxis auch besser abschneidet als diese Algorithmen, aber darauf wurde in dem Paper nicht eingegangen.“

„Die Demonstration in diesem Paper ist definitiv ein zeitgemäßes und technologisch interessantes Experiment, aber ob sie tatsächlich eine ‚new range of applications‘ eröffnet, bleibt abzuwarten. Zunächst einmal sollte beachten werden, dass die Schlussfolgerungen der Studie nicht auf einem allgemeinen theoretischen Rahmen basieren, sondern auf Simulationen und Experimenten eines spezifischen Modells. Somit ist unklar, ob sie sich außerhalb dieses Modells gut verallgemeinern lassen. Die Modelle, die in der Studie untersucht wurden – klassische Ising-Modelle von Spin-Gläsern – sind inzwischen theoretisch sehr gut verstanden. Die größten ungelösten Probleme in diesem Bereich liegen bei Quanten-Spin-Gläsern. Es ist nicht unmittelbar klar, ob der verwendete Quantum-Annealer – insbesondere da keine Fehlerkorrektur durchgeführt wird – verwendet werden kann, um theoretische Vorhersagen über Quanten-Spin-Gläser zu treffen. Obwohl dies eine interessante Richtung für die Forschungsgemeinschaft wäre.“

„Schließlich ist noch zu beachten, dass es sich bei den verwendeten Geräten um Annealer und nicht um Quantencomputer handelt. In der Praxis bedeutet dies, dass das Gerät nicht so steuerbar ist wie Quantenchips, die von anderen Unternehmen wie Google oder IBM hergestellt werden. Dies beschränkt wahrscheinlich die Vielfalt der Probleme, die das Gerät lösen kann. Dennoch ist die Hardware im Kern dieselbe (supraleitende Qubit-Technologie), die auch in Quantencomputerchips verwendet wird, sodass man den Chip möglicherweise mit mehr Möglichkeiten zur Konfiguration und Steuerung ausstatten könnte.“

„Die Arbeit mit dem ambitionierten Titel ‚beyond classical computation in quantum simulation‘ ist eine hochspannende Arbeit, die an der richtigen Stelle nach Quantenvorteilen sucht: Dies bezieht sich auf die Situation, in der experimentell realisierte Quantensimulatoren oder -rechner ein sinnvolles Problem besser und schneller lösen können, als dies mit klassischen Superrechnern möglich ist. Im Rennen um sinnvolle Quantenrechner – die mit großen Versprechungen einhergehen – ist dies ein wichtiger Meilenstein. Diesen Quantenvorteil sucht die vorliegende Arbeit im Studium eines Nichtgleichgewichtsproblems in zwei Dimensionen. Das ist eine glückliche Wahl, weil selbst sehr leistungsfähige klassische Computer dies notorisch schlecht können und herausgefordert sind. Und gleichermaßen eine neue Quantenarchitektur, von sogenannten Annealern, Daten liefert.“

„Diese Arbeit kommt mit einer guten und einer schlechten Nachricht einher: Die gute ist, dass es sich um ein extrem spannendes und ambitioniertes Experiment handelt, das von der kanadischen Firma D-Wave mit internationaler Hilfe durchgeführt wurde. Es wird ein sogenanntes Ising-Modell mit transversalem Feld auf einem supraleitenden Quantensimulator simuliert, der – wie man sagt – ‚Annealing‘ erreicht. Das ist noch kein voller Quantenrechner, aber eben doch ein Quantensimulator, der Modellsysteme aus der Festkörperphysik sehr genau nachstellen kann. Genauer: In der Arbeit wird mit 64 Spins – oder Quantenbits – experimentiert, die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind. In dieser Situation werden Spin-Gläser innerhalb dieses Modellsystems simuliert. Dies sind keine übertrieben wichtigen Modellsysteme für Festkörperprobleme, aber plausible Kandidaten, um einen paradigmatischen Testfall auszuloten.“

„Die Quantendaten werden auch mit klassischen Simulationsmethoden verglichen. Immerhin ist der Titel ‚beyond classical computation in quantum simulation‘. Und auch hier ist der Vergleich gründlich und interessant. Dies baut auf Arbeiten am Max-Planck-Institut für Quantenoptik von vor 13 Jahren auf, an denen ich auch beteiligt war [3]. In den Arbeiten wurden dynamische Quantensimulationen mit den besten klassischen Simulationsmethoden der Zeit verglichen, sogenannten Tensor-Netzwerk-Methoden. Diese Idee wird hier weitergetrieben, mit eindrucksvollen Ergebnissen.“

„Nun ist allerdings – und das ist die schlechte Nachricht – ein solcher Titel etwas gefährlich. Denn nicht nur Quantensimulatoren entwickeln sich weiter, sondern auch klassische Simulationsmethoden. Und so musste man nicht lange warten, bis Autoren neue Varianten von Tensor-Netzwerk-Methoden zusammen mit sogenannter Glaubenspropagation (eine Art Message-Passing-Algorithmus, Message-Passing- Algorithmen sind eine Computer-Rechentechnik, um etwa Optimierungsprobleme zu lösen; Anm. d. Red.) anwenden [4]: Und so eben doch das System klassisch simulieren können.“

„Was ist die Lehre daraus? Die Arbeit ist stark und interessant. Sie betreibt eine gute Methodenentwicklung in eine wichtige Richtung. Das Rennen zwischen Quanten- und klassischen Rechnern – das wie gesagt nicht neu ist – ist gesund, gut und wichtig. Es entwickelt beide Felder weiter. Aber wahrscheinlich ist auch eine Lehre, dass man sich von Aussagen fernhalten sollte, die allzu laut Quantenvorteile propagieren: Das Feld des Quantenrechnens kann indes ruhige Methodenentwicklung – ohne Aufregung und Hype – gut gebrauchen. Denn diese ruhige Methodenentwicklung wird wichtig sein, um diese paradigmatischen Probleme zu praktisch relevanten Modellsystemen weiterzutreiben.“

„Das Papier demonstriert die Fortschritte bei Quanten-Annealern und wurde im Großen und Ganzen positiv von der wissenschaftlichen Community angenommen. Das ist insofern bemerkenswert, da D-Wave in der Vergangenheit oft durch überzogene Behauptungen aufgefallen ist und ansonsten eine gewisse Grundskepsis gegenüber dieser Firma vorherrscht.“

„Die Demonstrationen von ‚Quantenvorteilen‘ gleichen einem Wettrennen zwischen klassischen Computern und Quantencomputern: Die Entwicklung von klassischen Algorithmen steht nicht still. Im Gegenteil, es ist zu erwarten, dass diese noch für eine geraume Zeit mit Quantencomputern gleichziehen werden. Die Vergleiche zu klassischen Algorithmen in dem D-Wave-Papier scheinen mir fair zu sein, was auch dadurch belegt wird, dass es ein Jahr gedauert hat, bis entsprechende klassische Simulation vorlagen [4] [5]. Bei einem ähnlichen Paper von IBM aus 2023 dauerte dies nur wenige Tage.“

Auf die Frage, ob die Annahmen der Autorinnen und Autoren realistisch und die verwendeten klassischen Methoden seit der Veröffentlichung des Papers auf Arxiv noch immer passend für die Simulation sind:
„Ich glaube, dass die Abschätzungen durchaus gewissenhaft getätigt wurden. Solche Zahlen sind aber auch immer als Herausforderung zu sehen, bestehende klassische Algorithmen anzupassen und zu verbessern. Es wäre naiv anzunehmen, dass solche Verbesserungen nicht möglich sind, und insofern sollte man diese Abschätzungen nicht zu ernst nehmen.“

„In der Tat sind in den letzten Tagen zwei Preprints erschienen, die die Resultate des D-Wave-Experiments mit ähnlicher oder besserer Präzision klassisch simulieren [4] [5]. Die Paper verfolgen dabei sehr unterschiedliche Ansätze: einmal mit sogenannten Tensor-Netzwerk-Methoden, die auch D-Wave zum Vergleich herangezogen hatte, und das andere Mal mittels variationellen Monte-Carlo-Methoden (Computer-Rechenmethoden, um mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten Ergebnisse vorherzusagen; Anm. d. Red.). Dies zeigt die erwähnte Flexibilität klassischer Algorithmen.“

„Dazu kann ich leider nur begrenzt viel sagen, da ich mich damit im Detail nicht auskenne. Quanten-Annealer verfolgen ein anderes Prinzip als die sonstigen gatterbasierten Quantencomputer. Dabei wird zunächst ein ‚einfacher‘ Quantenzustand präpariert und anschließend in den Zielzustand transformiert. Das passiert, indem die physikalischen Kopplungen im Quanten-Annealer sehr langsam geändert werden. Was genau ‚sehr langsam‘ ist, hängt sehr stark von dem betrachteten Problem ab und lässt sich typischerweise vorab nicht berechnen. Dadurch funktionieren Quanten-Annealer auf heuristischer Basis. Eine weitere Hürde besteht darin, das zu lösende Problem in eine für Quanten-Annealer praktikable Form zu bringen. Das ist für bestimmte Problemklassen einfacher als für andere. An beiden Problemen wird aktiv gearbeitet.“