Fehlertoleranz US-Forscher melden Durchbruch beim Quantencomputing

Forscher aus den USA haben erfolgreich umfangreiche Algorithmen auf einem fehlerkorrigierten Quantencomputer mit 48 logischen Qubits und Hunderten von verschränkten logischen Operationen ausgeführt.

Bei Experimenten, die an der Harvard University in Zusammenarbeit mit dem Start-up Quera Computing, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), dem National Institute of Standards and Technology (NIST) sowie der University of Maryland (UMD) durchgeführt wurden, hat man einen bedeutenden Sprung in der Quanteninformatik erreicht und die Voraussetzungen für die Entwicklung skalierbarer und fehlertoleranter Quantencomputer, mit denen sich praktische, ansonsten unlösbare Probleme bewältigen lassen, geschaffen, wie betont wird.

Das Erreichen von 48 logischen Qubits in einer fehlertoleranten Quantencomputing-Umgebung habe enorme Bedeutung. Denn es hat das Potenzial, die Datenanalyse und Finanzsimulationen zu revolutionieren. Damit komme man einer Zukunft näher, in der Quantencomputing nicht nur ein experimentelles Unterfangen mehr sei, sondern ein praktisches Werkzeug, das realitätsbezogende Antworten liefern könne. Das könne der Wendepunkt sein, wie Unternehmen komplexe Rechenaufgaben in Zukunft lösen könnten. 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. Auch ist ein Auslesen während der Berechnung, also „mid-circuit”, möglich.

Drei Erfolge im Quantencomputing erreicht:

Eine entscheidende Herausforderung für die Quanteninformatik ist, wie man weiter erfährt, das Rauschen, das die Qubits beeinflusst und Berechnungen verfälscht. Die Quantenfehlerkorrektur überwindet diese Beschränkungen aber mit sogenannten logischen Qubits. Das sind Gruppen von physikalischen Qubits, die verschränkt sind, um Informationen so redundant zu speichern. Diese Redundanz hilft, Fehler zu erkennen und zu korrigieren, die bei Quantenberechnungen auftreten können. Mithilfe logischer Qubits anstelle einzelner physischer Qubits können Quantensysteme ein gewisses Maß an Fehlertoleranz erreichen, was sie für komplexe Berechnungen robuster und zuverlässiger macht, wie die Forscher erklären. Folgende entscheidenden Ziele hat man bisher erreicht:

• 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.

Klar ist, wie die Forscher zugeben, aber auch, dass noch viele Herausforderungen bestehen. Dennoch ließe sich festhalten, dass dieser neue Schritt die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer erheblich beschleunigen und die nächste Innovationsphase fördern werde.

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Nähere zum genutzten Quantencomputing-System

Das dafür genutzte 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.

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.

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