IBM und drei Forschungspartner, die Universität Chicago, Algorithmiq und Qedma, haben separate Quantencomputerstudien veröffentlicht, die sich mit einer gemeinsamen Hürde für Behauptungen über Quantenvorteile befassen: dem Aufbau von Vertrauen in Ergebnisse, die klassische Systeme nicht direkt reproduzieren können.
Die Arbeiten umfassen kodierte logische Schaltungen, Quantenmaterialsimulationen und fehlerkorrigierte Vielteilchenphysik. In allen Fällen wurden IBM Quantum Heron Prozessoren eingesetzt, um Arbeitslasten zu bewältigen, die laut den beteiligten Teams die praktischen Möglichkeiten führender klassischer Simulationsansätze überstiegen. Die Studien und die zugrundeliegenden Ergebnisse wurden über IBMs Quantum Advantage Tracker für fortlaufende Benchmarks veröffentlicht.
Die Forschergruppe der Universität Chicago demonstrierte eine strukturierte Alternative zum zufälligen Sampling von Schaltkreisen, einem gängigen Benchmark für Quantenvorteile, dessen Validierung mit zunehmender Schaltkreiskomplexität immer schwieriger wird. Die von IBM als „Doped Clifford Sampling“ bezeichnete Technik bettet einen Clifford-Schaltkreis in einen Raumzeitcode ein und fügt anschließend strategisch Nicht-Clifford-T-Gatter hinzu. Dadurch wird die Berechnung klassisch schwierig, während gleichzeitig die für die Fehlererkennung während der Ausführung notwendigen Syndromprüfungen erhalten bleiben. Die Veröffentlichung trägt den Titel „Sampling hard circuits with verifiably high fidelity“.
Das Experiment nutzte 70 logische Qubits und führte 2,415 logische Zwei-Qubit-Operationen sowie 468 logische T-Gatter durch – beides Maße für die Komplexität von Schaltkreisen. IBM und die Universität berichten von effektiven logischen Fehlerraten, die etwa zehnmal niedriger waren als die zugrunde liegenden physikalischen Fehlerraten. Dies ermöglichte die hohe Schaltkreisgenauigkeit bei dieser Anzahl an Gattern. Die Quantenberechnung war in etwa 15 Minuten abgeschlossen, während führende klassische Simulationsansätze laut den Forschern mit unerschwinglichen Laufzeiten zu kämpfen hatten. IBM bezeichnet das Experiment als eine der weltweit größten bekannten Demonstrationen von Fehlerkorrektur. Das Ergebnis ist von Bedeutung, da es eine über die klassischen Möglichkeiten hinausgehende Arbeitslast mit einer statistischen Untergrenze für die Ausführungsgenauigkeit verbindet.
„Wir befinden uns nun endgültig im Zeitalter der Quantenvorteile“, sagte Jay Gambetta, Direktor der IBM-Forschung und IBM Fellow. „Wir haben eine Quantenberechnung demonstriert, die jenseits der praktischen Möglichkeiten klassischer Computer liegt und mit statistischer Sicherheit eine untere Grenze für die Genauigkeit ihrer Ausführung festlegt. Dieser Meilenstein bietet Wissenschaftlern, Entwicklern und Unternehmen eine neue Grundlage für das Vertrauen in Quantencomputer, da diese zunehmend Probleme lösen, die weit über das hinausgehen, was wir klassisch bewältigen können.“
Die Studie von Algorithmiq nutzte einen IBM Quantum Heron Prozessor, um ein heterogenes Quantenmaterial zu simulieren. Dieses Modell repräsentiert Systeme mit unregelmäßigen lokalen Eigenschaften, Grenzflächen und einstellbaren mikroskopischen Kopplungen. Diese Effekte sind relevant für Materialien wie Katalysatoren und Batterieelektrolyte, da lokale Unordnung die Bewegung von Energie, Teilchen und Information beeinflusst. Das Team entwickelte einen Quantenalgorithmus zur Schätzung des Loschmidt-Echos, einer Größe, die die Informationsausbreitung in solchen Systemen beschreibt, und führte diesen auf 56 Qubits aus.
Die Arbeitslast wurde vor acht Monaten erstmals im Quantum Advantage Tracker veröffentlicht. IBM und Algorithmiq geben an, dass seitdem keine klassische Methode die Ergebnisse im gesamten Problembereich zuverlässig reproduzieren konnte. Methoden von mindestens drei führenden klassischen Simulationsgruppen lieferten Vorhersagen, die sowohl untereinander als auch mit dem Quantenergebnis im Widerspruch standen. Anstatt sich auf eine nicht verfügbare exakte Antwort zu verlassen, wandte das Team kontrollierte Rauscheinspeisung, modifizierte Gate-Kalibrierungen und Geräte-Rauschmodellierung an und führte die Simulation auf – wie IBM es beschreibt – effektiv fünf Quantencomputern mit unterschiedlichen Rauschprofilen durch. Dabei wurde getestet, ob das Quantenergebnis bei veränderten Rauschbedingungen stabil blieb.
Algorithmiq veröffentlichte außerdem monoprop , ein Benchmark-Paket, das auf seinen klassischen Simulationsmethoden für Molekülgrundzustände basiert. Die Software soll externen Forschern ermöglichen, zukünftige Behauptungen über Quantenvorteile anhand verfügbarer klassischer Verfahren zu überprüfen.
„Diese Zusammenarbeit mit IBM hat eine Idee verwirklicht, die Richard Feynman 1982 erstmals vorschlug“, sagte Matteo Rossi, Mitgründer und CTO von Algorithmiq. „Durch die Simulation von Quantenmaterie mithilfe eines digitalen Quantenprozessors, der auf denselben physikalischen Prinzipien basiert, können wir Forschern ein anpassbares, physikalisch interessantes Modell zur Verfügung stellen, das jedem offensteht, der versucht, es klassisch zu widerlegen. Es ist ein anspruchsvoller Testfall, der sich seit nunmehr acht Monaten offener Kritik stellt.“
Qedma, IBM, RIKEN und BlueQubit veröffentlichten eine dritte Studie, in der Qedmas Software zur Quantenfehlerunterdrückung und -minderung (QESEM) auf IBM Quantum Heron-Hardware eingesetzt wurde, um langlebige Quantendynamiken in einem zweidimensionalen Floquet-Ising-System zu modellieren. Dieses System wird von Physikern verwendet, um die Entwicklung der magnetischen Eigenschaften eines Materials unter rhythmischer externer Anregung zu untersuchen. Laut Qedma ist dies das erste Mal, dass ein Quantenvorteil mit kommerziell erhältlicher Hardware und Software erzielt wurde, wobei sowohl das Heron-System als auch QESEM in der Cloud verfügbar sind. Die Unternehmen verweisen auf Anwendungen in der ultraschnellen Optoelektronik und bei lichtinduzierten Supraleitern.
IBM Quantum 133 Qubit HERON
Das Team berichtete über Simulationen mit bis zu 74 Qubits. Es verglich die Quantenergebnisse mit verschiedenen klassischen Methoden, darunter Läufe auf dem Fugaku-Supercomputer von RIKEN und Simulationen mit BlueQubit. Im größten getesteten Maßstab stimmten die klassischen Ansätze nicht durchgängig überein, während die fehlerkorrigierten Quantenergebnisse ein anhaltendes oszillatorisches Verhalten zeigten.
Im Validierungsprozess von Qedma wurde zunächst eine unvoreingenommene Fehlerkorrekturmethode mit klassischen Berechnungen verglichen, wobei sich letztere als zuverlässig erwiesen. Anschließend testeten die Forscher eine skalierbarere Fehlerkorrekturmethode anhand der validierten Ergebnisse, bevor sie die Arbeitslast auf größere Systeme und längere Ausführungszeiten ausweiteten. Die Studie untersuchte zudem das Verhalten auf unterschiedlicher Quantenhardware, darunter Quantinuum-Ionenfallensysteme, um simulierte Physik von gerätespezifischen Artefakten zu unterscheiden.
Zusammengenommen erweitern die drei Studien die Diskussion um den Quantenvorteil über reine Laufzeitvergleiche hinaus. Sie konzentrieren sich auf Reproduzierbarkeit, Fehlercharakterisierung, plattformübergreifende Validierung und offenes Benchmarking – allesamt Voraussetzungen, bevor Quantensysteme als zuverlässige Instrumente für wissenschaftliche Rechenlasten jenseits der Grenzen klassischer Simulationen gelten können.
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