48 Qubits: Fortschritt bei Quantencomputern

Forscher haben erfolgreich umfangreiche Algorithmen auf einem fehlerkorrigierten Quantencomputer mit 48 logischen Qubits und Hunderten von verschränkten logischen Operationen ausgeführt. Die Experimente fanden 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) statt. Dieser Fortschritt  stellt einen 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.

Eine 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 das Erkennen und Korrigieren von Fehlern, die bei Quantenberechnungen auftreten können. Durch die Verwendung logischer Qubits anstelle einzelner physischer Qubits können Quantensysteme ein gewisses Maß an Fehlertoleranz erreichen.

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 Partner folgende Errungenschaften erzielt:

• Erzeugung und Verschränkung der bisher größten logischen Qubits. Dabei ließ sich eine Codedistanz von sieben nachweisen, die 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 erstmals 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.

Diese Ergebnisse wurden 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, ist eine effiziente Steuerung entscheidend.

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 die kommerzielle Roadmap für fehlertolerante Quantencomputer vorstellen.