Durchbruch im Quantencomputing

Neue in Nature veröffentlichte Forschungsergebnisse zum Thema Quantencomputing stellen einen entscheidenden Fortschritt für die Entwicklung von skalierbaren und fehlertoleranten Quantencomputern dar.

In Experimenten, die an der Harvard University in Zusammenarbeit mit QuEra Computing, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), dem National Institute of Standards and Technology (NIST) sowie der University of Maryland (UMD) durchgeführt wurden, haben Forschende erfolgreich umfangreiche Algorithmen auf einem fehlerkorrigierten Quantencomputer mit 48 logischen Qubits und Hunderten von verschränkten logischen Operationen ausgeführt. Dieser Fortschritt, der in der angesehenen Wissenschaftszeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Sprung in der Quanteninformatik dar und schafft die Voraussetzungen für die Entwicklung skalierbarer und fehlertoleranter Quantencomputer, mit denen sich praktische, ansonsten unlösbare Probleme bewältigen lassen.

„Moody’s Analytics ist sich der enormen Bedeutung bewusst, die das Erreichen von 48 logischen Qubits in einer fehlertoleranten Quantencomputing-Umgebung hat. Es hat das Potenzial, die Datenanalyse und Finanzsimulationen zu revolutionieren”, sagt Sergio Gago, Managing Director of Quantum and AI bei Moody’s Analytics. „Wir kommen damit einer Zukunft näher, in der Quantencomputing nicht nur ein experimentelles Unterfangen ist, sondern ein praktisches Werkzeug, das unseren Kunden reale Lösungen liefern kann. Dies ist ein entscheidender Moment, der neu definieren könnte, wie Unternehmen komplexe Rechenaufgaben angehen.” 

Erkennung und Korrektur von Fehlern nun möglich

Eine entscheidende Herausforderung für die Quanteninformatik ist das Rauschen, das die Qubits beeinflusst und Berechnungen verfälscht. Die Quantenfehlerkorrektur überwindet diese Beschränkungen mit sogenannten logischen Qubits. Das sind Gruppen von physikalischen Qubits, die verschränkt sind, um Informationen so redundant zu speichern. Diese Redundanz ermöglicht die Erkennung und Korrektur von Fehlern, die bei Quantenberechnungen auftreten können. Durch die Verwendung logischer Qubits anstelle einzelner physischer Qubits können Quantensysteme ein gewisses Maß an Fehlertoleranz erreichen, was sie für komplexe Berechnungen robuster und zuverlässiger macht.

„Das ist eine spannende Zeit für unser Forschungsfeld, da der Ansatz der Quantenfehlerkorrektur und Fehlertoleranz erste Früchte trägt”, sagte Mikhail Lukin, Universitätsprofessor und Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative sowie Mitgründer von QuEra Computing. „Diese Forschungsarbeit, die auf den jüngsten Fortschritte in der Quantencomputer-Community für neutrale Atome basiert, ist ein Beweis für die Anstrengungen unserer talentierten Studierenden und Postdocs sowie den bemerkenswerten Mitarbeitenden bei QuEra, MIT und NIST/UMD. Klar ist, dass noch viele Herausforderungen vor uns liegen. Dennoch lässt sich festhalten, dass dieser neue Schritt die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer erheblich beschleunigen und die nächste Innovationsphase fördern wird.”

Quantencomputing: Mehr Zuverlässigkeit & Stabilität

Frühere praktische Anwendungen der Fehlerkorrektur umfassten ein, zwei oder drei logische Qubits. Dieses neue Forschungsergebnis demonstriert die Quantenfehlerkorrektur in 48 logischen Qubits, wodurch sich die Stabilität und Zuverlässigkeit der Berechnungen erhöht. Auf dem Weg zu umfassenden Quantenberechnungen haben QuEra und seine Mitarbeitenden die folgenden entscheidenden Errungenschaften erzielt: 

• Erzeugung und Verschränkung der bisher größten logischen Qubits. Dabei konnte eine Code-Distanz von sieben nachgewiesen werden, welche die Erkennung und Korrektur von drei beliebigen Fehlern ermöglicht, die in jedem der Qubits innerhalb eines logischen Qubits auftreten können. Größere Codeabstände bedeuten eine höhere Resistenz gegenüber Quantenfehlern. Darüber hinaus hat die Forschung zum ersten Mal gezeigt, dass eine Erhöhung des Codeabstands die Fehlerrate bei logischen Operationen tatsächlich verringert.
• Realisierung von 48 kleinen logischen Qubits, die zur Ausführung komplexer Algorithmen verwendet wurden und die Leistung der gleichen Algorithmen bei der Ausführung mit physischen Qubits übertrafen. 
• Konstruktion von 40 mittelgroßen Fehlerkorrekturcodes durch Verschränkung von 280 physischen Qubits. 

Der Durchbruch wurde mit einem System erzielt, das dem noch unveröffentlichten Quantencomputer der zweiten Generation von QuEra ähnelt. Anwendung finden hierbei Hunderte von Qubits, hohe Gattertreue für zwei Qubits, beliebige Konnektivität sowie voll programmierbare Single-Qubit-Drehungen. Zudem ist ein Auslesen während der Berechnung, also „mid-circuit”, möglich.

Das System umfasste auch eine hardwareeffiziente Steuerung in rekonfigurierbaren Neutralatom-Arrays, die eine direkte, parallele Steuerung über eine ganze Gruppe logischer Qubits ermöglicht. Diese parallele Steuerung reduziert den Steuerungsaufwand und die Komplexität der Durchführung logischer Operationen drastisch. Bei der Verwendung von bis zu 280 physischen Qubits mussten die Forschenden weniger als zehn Steuersignale programmieren, um alle in der Studie geforderten Operationen auszuführen. Bei anderen Quantenmodalitäten wären für die gleiche Anzahl von Qubits normalerweise Hunderte von Steuersignalen erforderlich. Da Quantencomputer auf viele Tausende von Qubits skalieren, wird eine effiziente Steuerung von entscheidender Bedeutung. 

Meinungen zum Durchbruch

„Das Erreichen von 48 logischen Qubits mit hoher Fehlertoleranz ist ein Wendepunkt in der Quantencomputerindustrie”, betont Matt Langione, Partner bei der Boston Consulting Group. „Dieser Durchbruch beschleunigt nicht nur den Zeitplan für Quantenanwendungen in der Praxis, sondern eröffnet auch neue Wege zur Lösung von Problemen, die bisher als unlösbar galten. Dies ist ein entscheidender Schritt, der die kommerzielle Nutzbarkeit von Quantencomputern deutlich stärkt. Unternehmen aller Branchen sollten dies zur Kenntnis nehmen, denn der Wettlauf um den Quantenvorteil hat soeben einen großen Schub erhalten.”

„Der heutige Tag ist ein historischer Meilenstein für QuEra und die gesamte Quantencomputer-Community”, sagt Alex Keesling, CEO von QuEra Computing. „Diese Erfolge sind nicht nur ein technologischer Sprung, sondern zeigen auch, was wir durch eine starke Zusammenarbeit und der Investition in Forschung erreichen können. Wir könnten mit dem Durchbruch die Weichen für eine neue Ära des skalierbaren, fehlertoleranten Quantencomputings stellen, mit denen einige der komplexesten Probleme der Welt gelöst werden können. Die Zukunft der Quantencomputer ist da, und QuEra ist stolz darauf, an der Spitze dieser Revolution zu stehen.“

„Unsere Erfahrung in der Herstellung und im Betrieb von Quantencomputern – wie bei unserer ersten Generation, die seit 2022 in einer öffentlichen Cloud verfügbar ist – in Verbindung mit dieser zukunftsweisenden Forschung versetzt uns in eine hervorragende Position, um beim Quantenwettlauf ganz vorne mitzuspielen”, fügt Keesling hinzu.

Die Forschungsarbeit wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency durch das Programm Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices (ONISQ), der National Science Foundation, dem Center for Ultracold Atoms (ein NSF Physics Frontiers Center) und dem Army Research Office unterstützt.

In einem Online-Event am 9. Januar 2024 wird QuEra seine kommerzielle Roadmap für fehlertolerante Quantencomputer vorstellen. Registrieren Sie sich für diese Online-Veranstaltung unter https://quera.link/roadmap.

www.quera.com