Komplexe, fehlerkorrigierte Quantenalgorithmen auf 48 logischen Qubits

Die Forschenden haben erfolgreich umfangreiche Algorithmen auf einem fehlerkorrigierten Quantencomputer mit 48 logischen Qubits und Hunderten von verschränkten logischen Operationen ausgeführt. Dieser Fortschritt, der in der 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.

Praktisches Werkzeug für reale Lösungen

„Wir sind uns 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.” 

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. “Dieser neue Schritt wird die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer erheblich beschleunigen und die nächste Innovationsphase fördern”, sagt Mikhail Lukin, Universitätsprofessor und Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative sowie Mitgründer von QuEra Computing. 

Höhere Resistenz gegenüber Quantenfehlern

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 hat QuEra entscheidende 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.

Parallele Steuerung reduziert Komplexität 

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. 

„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.”