Google Willow und „magische Zustände“

Am 15. Oktober hat das Team von Google Quantum AI im Google-Blog beschrieben, dass auf dem Prozessor Google Willow zum ersten Mal in der Praxis eine Methode namens Magic State Cultivation funktioniert hat, also die „Kultivierung“ magischer Zustände. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.

Was genau hat Google Willow gezeigt?

Laut dem Beitrag von Emma Rosenfeld und Craig Gidney von Google Quantum AI brachte die Methode:

1. etwa 40x weniger Fehler als magische Zustände, die ohne „Kultivierung“ vorbereitet wurden,
2. T-Zustände (eine Art magischer Zustände) mit einer logischen Treue von 99,99 %, laut dem Team ein Rekord,
3. erste Schritte in Richtung der Zielarchitektur von Google: Ein Zustand wurde von einem Farbcode mit Distanz 3 in einen Oberflächencode mit Distanz 5 übertragen.

Laut Decrypt nutzte das Experiment höchstens 54 der 105 Qubits von Willow.

Und was sind diese „magischen Zustände“?

Ein Quantencomputer mit Fehlerkorrektur erledigt einen Teil der einfachen Operationen recht günstig, braucht für universelle Berechnungen aber auch die „schwierigen“. Ein Weg dorthin ist, vorab spezielle Hilfszustände vorzubereiten, und genau das sind magische Zustände (Magic States). Der Name kommt daher, dass gerade sie es erlauben, über die Grenzen hinauszugehen, die sich auf einem normalen Computer simulieren lassen.

Das Problem: Sie sind teuer und nur einmal nutzbar, jeder magische Zustand lässt sich nur ein einziges Mal verbrauchen. Nach von Google zitierten Schätzungen könnte ihre Herstellung bis zu 95 % der Leistung eines Quantencomputers verschlingen. Das Team schreibt, dass dieser Engpass schon 2004 vorhergesagt wurde und man seit etwa 20 Jahren nach einem Weg sucht, ihn zu weiten.

Wie funktioniert die „Kultivierung“ magischer Zustände?

Die Theorie haben Craig Gidney, Noah Shutty und Cody Jones 2024 im Paper „Magic state cultivation: growing T states as cheap as CNOT gates“ beschrieben. Das Ganze funktioniert wie ein Filter:

1. In einen kleinen Bereich des Chips wird ein verrauschter Zustand eingebracht,
2. eine Reihe koordinierter Messungen prüft ihn auf Fehler und verwirft missglückte Versuche,
3. der Zustand, der übrig bleibt, wird „kultiviert“, also zu einer sehr sauberen Form ausgebaut, die sich in einen größeren Code übertragen lässt.

Interessanterweise war der Weg von der Theorie zur Hardware nicht einfach. Laut Google schienen die ersten Daten aus dem Experiment von Emma Rosenfeld „den Gesetzen der Physik zu widersprechen“. Nach monatelanger Arbeit stellte sich heraus, dass eine falsche Annahme in einer Messmethode schuld war, die das Team standardmäßig nutzte. ScienceAlert schreibt, dass eine neue Technik das Problem löste, die sogenannte „Kickback Tomography“.

Gibt es einen Haken?

Der Filter hat seinen Preis. In den strengsten Durchläufen blieben nur etwa 8 % der Versuche übrig, der Rest wurde verworfen. Die Übertragung des Zustands in einen größeren Code brachte außerdem neue Fehler mit sich, mit denen sich das Team noch beschäftigen muss.

Google selbst betont, dass die Methode erst in größerem Maßstab gezeigt werden muss, bevor sie für praktische Berechnungen taugt. Decrypt erinnert daran, dass man zum Knacken von RSA-2048 magische Zustände mit einer Fehlerrate von etwa 1 zu 10 Milliarden bräuchte, also rund eine Million Mal sauberer als in diesem Experiment. Bis zum „Q-Day“ ist es also noch weit.

Was ändert das für die Kryptografie?

Vorerst wenig. Alex Pruden von Project Eleven sagte The Block, dass das Ergebnis die Prognosen zum Q-Day nicht unbedingt verschiebt, weil frühere Ressourcenschätzungen diese Technik bereits vorausgesetzt haben. Seiner Meinung nach bestätigt das Experiment eher diese Annahmen, wodurch die aktuellen Prognosen glaubwürdiger werden. Nic Carter von Castle Island Ventures meinte, es gebe „keine unmittelbare Bedrohung“.

Das ist ein weiteres großes Ergebnis aus der Quantenwelt in den letzten Tagen. Vor Kurzem habe ich darüber geschrieben, wie Claude Quantenschaltkreise mit bis zu 17x weniger Gattern entworfen hat. Bessere Schaltkreise und günstigere magische Zustände sind zwei Seiten desselben Problems: Wie bringen wir nützliche Berechnungen auf begrenzter Hardware unter?

FAQ

Was ist Google Willow?

Der Quantenprozessor von Google Quantum AI. Im Experiment zur Kultivierung magischer Zustände wurden höchstens 54 seiner 105 Qubits genutzt.

Kann Google Willow schon Verschlüsselung knacken?

Nein. Zum Knacken von RSA-2048 bräuchte man magische Zustände, die etwa eine Million Mal sauberer sind als in diesem Experiment, und eine deutlich größere Maschine.

Wo kann ich das Paper zu magischen Zuständen lesen?

Die Ergebnisse des Experiments wurden in Science veröffentlicht, die Theorie von 2024 auf arXiv.