Einführung in Googles Quantenprozessor
Der neueste Quantenprozessor von Google hat erreicht, was Physiker seit Jahrzehnten anstreben: eine nachgewiesene Beschleunigung gegenüber den leistungsstärksten Supercomputern der Welt. Dies verstärkt die potenzielle Bedrohung für Bitcoin und andere Kryptowährungen. In einer am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie führte der 105-Qubit-Willow-Chip einen physikalischen Algorithmus schneller aus, als es jede klassische Maschine simulieren könnte. Dies stellt einen erstmals experimentell bestätigten quantenmechanischen Vorteil dar, der mit echter Hardware erreicht wurde.
Bedeutung der Ergebnisse
Die begutachteten Ergebnisse sind zwar eng gefasst, aber dennoch bedeutend. Sie bestätigen, dass Quantenprozessoren sich der Zuverlässigkeit nähern, die für praktische Anwendungen erforderlich ist – und damit die Möglichkeit, dass sie eines Tages die Verschlüsselung brechen könnten, die Bitcoin und andere digitale Vermögenswerte schützt. Während diese Bedrohung noch in der Ferne liegt, rückt jeder verifizierte Fortschritt in der Quantenleistung den Zeitrahmen der „Quantenbedrohung“ für Krypto-Entwickler und Investoren näher in den Fokus.
Leistungsfähigkeit des Willow-Chips
Laut dem Bericht lief Googles Quantum Echoes-Algorithmus auf Willow etwa 13.000 Mal schneller als klassische Simulationen, indem er eine Aufgabe in etwas mehr als zwei Stunden abschloss, die auf Frontier – einem der schnellsten öffentlich getesteten Supercomputer der Welt – etwa 3,2 Jahre dauern würde.
„Das Ergebnis ist verifizierbar, was bedeutet, dass es von anderen Quantencomputern wiederholt oder durch Experimente bestätigt werden kann“,
schrieb Google-CEO Sundar Pichai auf X.
„Dieser Durchbruch ist ein bedeutender Schritt in Richtung der ersten realen Anwendung von Quantencomputing, und wir sind gespannt, wohin es führt.“
Experimentelle Methodik
Forscher testeten Willow, indem sie eine Reihe von Zeitumkehr-Experimenten durchführten und beobachteten, wie sich Quanteninformationen über die Qubits des Chips verbreiten und neu fokussieren. Zuerst führten sie das System durch eine Reihe von Quantenoperationen vorwärts, störten dann ein Qubit mit einem kontrollierten Signal und kehrten schließlich die Sequenz um, um zu erkennen, ob die Informationen ein „Echo“ zurückgeben würden. Dieses Echo erschien als konstruktive Interferenz, bei der sich Quantenwellen gegenseitig verstärkten, anstatt sich gegenseitig auszulöschen – ein klares Zeichen für quantenmechanisches Verhalten.
Technische Details und Stabilität
Die beteiligten Schaltungen waren zu komplex, um von klassischen Computern genau simuliert zu werden. Die supraleitenden Transmon-Qubits von Willow hielten während des Prozesses stand und zeigten mittlere Fehler bei Zwei-Qubit-Gattern von etwa 0,0015 sowie Kohärenzzeiten von über 100 Mikrosekunden. Diese Stabilitätsniveaus ermöglichten es den Forschern, 23 Schichten von Quantenoperationen über 65 Qubits durchzuführen, was über das hinausgeht, was klassische Modelle derzeit reproduzieren können.
Ausblick auf zukünftige Anwendungen
Willow, der im Dezember 2024 vorgestellt wurde, ist Googles neuester supraleitender Quantenprozessor, der stabileres und verifizierbares quantenmechanisches Verhalten als seine Vorgänger demonstrieren soll. Er folgt dem Sycamore-Experiment von 2019, das zeigte, dass ein Quantenprozessor klassische Supercomputer übertreffen konnte, jedoch nicht zuverlässig reproduziert werden konnte. Willow schließt diese Lücke: seine verbesserte Fehlerkorrektur hält Qubits länger kohärent, was Experimente ermöglicht, die innerhalb desselben Geräts wiederholt und verifiziert werden können.
Obwohl die Arbeit noch auf Forschungsebene bleibt, zeigt sie, dass Quanteninterferenz in Systemen bestehen bleiben kann, die zu komplex für klassische Simulationen sind – ein messbarer Fortschritt in dem langjährigen Bestreben, Quantencomputing sowohl reproduzierbar als auch praktisch zu machen. Google gab an, dass das nächste Ziel darin besteht, Quantencomputing von kontrollierten Demonstrationen in die praktische Wissenschaft zu überführen, einschließlich der Modellierung, wie Atome und Moleküle interagieren – Simulationen, die weit über die Reichweite klassischer Computer hinausgehen.
Risiken für die Kryptographie
„So wie das Teleskop und das Mikroskop neue, unsichtbare Welten eröffneten, ist dieses Experiment ein Schritt in Richtung eines ‚Quanten-Scope‘, das in der Lage ist, zuvor nicht beobachtbare natürliche Phänomene zu messen“, schrieben sie.
Für den Moment gefährdet der Erfolg von Willow die Verschlüsselung nicht. Aber seine Verifizierung markiert einen stetigen Fortschritt in Richtung der Art von Quantenmaschine, die dies könnte. Bitcoin und andere digitale Systeme hängen von elliptischer Kurven-Kryptographie ab – mathematischen Funktionen, die für klassische Computer praktisch unmöglich umzukehren sind, aber theoretisch anfällig für einen ausreichend leistungsstarken Quantencomputer.
„Quantencomputing hat eine angemessene Wahrscheinlichkeit – mehr als fünf Prozent – ein erhebliches, sogar existenzielles, langfristiges Risiko für Bitcoin und andere Kryptowährungen darzustellen“,
sagte Christopher Peikert, Professor für Informatik und Ingenieurwesen an der University of Michigan, gegenüber Decrypt.
„Aber es ist in den nächsten Jahren kein echtes Risiko; die Technologie des Quantencomputings hat noch einen langen Weg vor sich, bevor sie die moderne Kryptographie bedrohen kann.“
Peikert erklärte, dass Bitcoin nicht immun gegen Quantenangriffe ist, obwohl die Bedrohung noch fern bleibt. Der Übergang zu post-quanten Signaturschemata würde auch Kompromisse in Bezug auf Größe und Leistung mit sich bringen, fügte er hinzu.
„Schlüssel und Signaturen sind viel größer“,
sagte Peikert.
„Da Kryptowährungen auf viele Signaturen für Transaktionen und Blöcke angewiesen sind, würde die Annahme von post-quanten oder hybriden Schemata den Netzwerkverkehr und die Blockgrößen erheblich erhöhen.“
Fazit
Die Simulation der Schaltungen von Willow mit Tensor-Netzwerk-Algorithmen würde mehr als 10⁷ CPU-Stunden auf Frontier, dem schnellsten Supercomputer der Welt, in Anspruch nehmen. Diese Lücke – zwei Stunden Quantenberechnung im Vergleich zu mehreren Jahren klassischer Simulation – stellt den klarsten experimentellen Beweis für den quantenmechanischen Vorteil auf Geräteebene dar. Selbst wenn die Replikation noch aussteht, markiert Willow einen Übergang von der Theorie zur testbaren Technik: ein System, das eine echte Berechnung durchführt, die außerhalb der Reichweite klassischer Maschinen liegt. Für Kryptographen und Entwickler ist es eine Erinnerung daran, dass die Sicherheit nach der Quantenzeit kein fernes Problem mehr ist – es ist eine Uhr, die bereits zu ticken begonnen hat.
