Forscher von Google Quantum AI haben mit der sogenannten magic state cultivation
auf dem Willow-Prozessor einen entscheidenden Flaschenhals der Quantencomputer-Technologie adressiert. Durch das Verfahren konnten sie die Fehlerquote bei der Erzeugung magischer Zustände um das 40-Fache senken.
Das Problem der magischen Zustände
Quantencomputer versprechen enorme Rechenleistung, scheitern jedoch häufig an ihrer eigenen Fehleranfälligkeit. Während klassische Computer mit Nullen und Einsen sowie einfachen Logik-Regeln wie „und“- oder „oder“-Funktionen arbeiten, benötigen Quantencomputer für ihre volle Leistungsfähigkeit zusätzliche Operationen. Diese werden durch sogenannte T-Gatter ermöglicht, die auf „magischen Zuständen“ basieren. Die Erzeugung dieser Zustände ist jedoch ein massiver Ressourcenfresser; laut der Google-Forscherin Emma Rosenfeld können bis zu 95 Prozent der Kapazität eines Quantencomputers allein in die Herstellung dieser hochpräzisen Zustände fließen.”””
Bereits seit 2004 beschäftigt dieses Problem die Forschung. Im Jahr 2024 schlugen Google-Forscher, darunter Craig Gidney, Noah Shutty und Cody Jones, die Kultivierung als Methode vor, um diese Ineffizienz zu überwinden. Der Prozess beginnt klein auf wenigen Qubits. Das System prüft dabei, ob der korrekte Zustand vorliegt, ohne den Zustand durch eine Standardmessung auf Null oder Eins festzulegen. Fehlerhafte Ansätze werden konsequent aussortiert, während die erfolgreichen Zustände auf weitere Qubits anwachsen.
Erfolge auf dem Willow-Quantenprozessor
Die praktische Umsetzung auf dem Willow-Prozessor von Google Quantum AI bestätigte die theoretischen Ansätze. In der im Fachmagazin Science veröffentlichten Studie nutzten die Forscher 54 der 105 verfügbaren physischen Qubits, um die Methode zu testen. Dabei gelang es, die Fehlerrate um den Faktor 40 zu reduzieren. Dennoch bleibt ein Kompromiss bestehen: Um die hohe Wiedergabetreue von mindestens 99,99 Prozent zu erreichen, müssen die Forscher den Großteil der Versuche verwerfen. Nur etwa 8 Prozent der Ansätze bestehen die strengen Tests und werden als reine Quantenzustände beibehalten.
Messung und technische Herausforderungen
Während der Versuchsreihen stieß das Team auf unerwartete Schwierigkeiten. Anfängliche Daten schienen physikalische Gesetze zu verletzen, was Emma Rosenfeld und ihr Team Monate der Untersuchung kostete. Schließlich stellte sich heraus, dass das Problem in der Methode selbst lag, mit der die Wiedergabetreue des Zustands gemessen wurde. Die Lösung erforderte eine fundamentale Anpassung der technischen Ansätze. Das Team fügte dem System zusätzliche Kontrollmechanismen hinzu und entwickelte eine neue Benchmarking-Technik, bei der die Kultivierung als Werkzeug genutzt wird, um ihre eigene Präzision zu messen.
Der Weg zur praktischen Anwendung
Obwohl dieser Durchbruch die theoretische Idee in eine experimentell nachgewiesene Realität überführt, bleibt der Weg zur großflächigen Anwendung herausfordernd. Aktuell tritt bei der Kultivierung etwa ein Fehler pro 10.000 Versuche auf. Für anspruchsvolle Aufgaben wie die Simulation von Molekülen, bei der man mit einer höheren Fehlerquote zurechtkäme, sind jedoch bereits deutlich stabilere Raten erforderlich – etwa ein Fehler pro einer Million bis 100 Millionen Versuche. Für weitergehende Anwendungen, etwa im Bereich der Kryptographie, lägen die Anforderungen noch weitaus höher.
Sie schafften es, Zustände von einem „Color Code“, der ideal für die Kultivierung ist, auf einen „Surface Codezu übertragen, der als etabliertere Methode gilt. Dieser Fortschritt ist ein entscheidender Schritt, um die höhere Leistungsfähigkeit der Quantentechnologie zukünftig für praktische, fehlerkorrigierte Berechnungen freizuschalten.
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