Quantencomputer stellen Rekord auf dem Weg zu fehlerfreien Berechnungen auf

Ein weiterer Quantencomputing-Rekord wurde gebrochen. Ein Team hat einen Quantencomputer mit der größten Anzahl sogenannter logischer Qubits oder Quantenbits aller Zeiten gebaut. Im Gegensatz zu Standard-Qubits sind logische Qubits besser in der Lage, Berechnungen fehlerfrei durchzuführen, was das neue Gerät zu einem potenziell wichtigen Schritt in Richtung praktischer Quantencomputer macht.

Wie kompliziert eine Berechnung ein Quantencomputer durchführen kann, hängt von der Anzahl der darin enthaltenen Qubits ab. Kürzlich haben IBM und das in Kalifornien ansässige Unternehmen Atom Computing Geräte mit mehr als 1000 Qubits vorgestellt, fast dreimal so viel wie die bisher größten Quantencomputer. Die Existenz dieser Geräte hat jedoch nicht zu einem unmittelbaren und dramatischen Anstieg der Rechenleistung geführt, da größere Quantencomputer oft auch mehr Fehler machen.

Um einen Quantencomputer zu entwickeln, der seine Fehler korrigieren kann, konzentrierten sich Forscher des Quantencomputer-Start-ups QuEra in Boston und mehrere Wissenschaftler stattdessen darauf, die Anzahl seiner logischen Qubits zu erhöhen, bei denen es sich um Gruppen von Qubits handelt, die durch Quantenverschränkung miteinander verbunden sind.

Bei herkömmlichen Computern beruht die Fehlerkorrektur auf der Aufbewahrung mehrerer redundanter Informationskopien. Aber Quanteninformationen sind grundlegend anders und können nicht kopiert werden – daher nutzen Forscher die Verschränkung, um sie auf mehrere Qubits zu verteilen, wodurch eine ähnliche Redundanz erreicht wird, sagt Dolev Bluvstein von der Harvard University, der Teil des Teams war.

Um ihren Quantencomputer herzustellen, begannen die Forscher mit mehreren tausend Rubidiumatomen in einem luftleeren Behälter. Anschließend nutzten sie Kräfte von Lasern und Magneten, um die Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen, wo ihre Quanteneigenschaften am deutlichsten hervortreten. Unter diesen Bedingungen könnten sie die Quantenzustände der Atome sehr genau steuern, indem sie sie erneut mit Lasern treffen. Sie erzeugten zunächst 280 Qubits aus den Atomen und gingen dann noch einen Schritt weiter, indem sie mit einem weiteren Laserpuls Gruppen davon – zum Beispiel jeweils sieben Qubits – zu einem logischen Qubit verschränkten. Auf diese Weise konnten die Forscher bis zu 48 logische Qubits gleichzeitig herstellen. Das ist mehr als das Zehnfache der Anzahl logischer Qubits, die jemals zuvor erstellt wurden.

„Es ist eine große Sache, so viele logische Qubits zu haben. „Ein sehr bemerkenswertes Ergebnis für jede Quantencomputerplattform“, sagt Mark Saffman von der University of Wisconsin-Madison. Er sagt, dass der neue Quantencomputer große Vorteile davon habe, wenn er aus Atomen besteht, die durch Licht gesteuert werden, weil diese Art der Steuerung sehr effizient sei.

Der Computer von QuEra lässt seine Qubits interagieren und Informationen austauschen, indem er sie mit optischen „Pinzetten“ aus Laserstrahlen näher zueinander bewegt. Im Gegensatz dazu müssen chipbasierte Quantencomputer, wie sie von IBM und Google hergestellt werden, mehrere Drähte verwenden, um jedes Qubit zu steuern.

Bluvstein und seine Kollegen implementierten mehrere Computeroperationen, Codes und Algorithmen auf dem neuen Computer, um die Leistung der logischen Qubits zu testen. Er sagt, dass diese Tests zwar vorläufiger seien als die Berechnungen, die Quantencomputer letztendlich durchführen werden, das Team jedoch bereits herausgefunden habe, dass die Verwendung logischer Qubits zu weniger Fehlern führe als bei Quantencomputern, die physische Qubits verwenden.

Forscher gehen normalerweise davon aus, dass vollständig fehlertolerante oder fehlerfreie Quantencomputer Tausende von logischen Qubits benötigen, aber Jeff Thompson von der Princeton University sagt, es sei spannend zu sehen, dass einige Ideen zur Fehlertoleranz in den neuen Experimenten bereits untersucht wurden. Er sagt, dass dies ein klarer Fortschritt sei und weitere Fortschritte folgen werden, da sich atombasierte Computer rasch verbessert haben. „Wir sind Zeugen einiger davon [atom-based computer’s] entscheidende Momente“, sagt Thompson.