Neuer Rekord im Quantencomputing: 6,100 Qubits im Caltech-Array

Ein weiterer grosser Rekord im Quantencomputing ist gefallen – und zwar mit deutlichem Abstand: Physikerinnen und Physiker haben ein Array mit 6,100 Qubits aufgebaut. Damit ist es das bislang grösste System dieser Art und liegt weit über den rund tausend Qubits, die frühere Aufbauten typischerweise erreichten.

Hinter dem Ergebnis steht ein Team des California Institute of Technology. Als Qubits nutzten die Forschenden Caesiumatome, die sie mit einem komplexen Lasersystem an Ort und Stelle hielten. Diese Laser wirkten wie Pinzetten, um die Atome so stabil wie möglich zu fixieren.

Rekord im Neutralatom-Quantencomputing mit 6,100 Qubits

Qubits unterscheiden sich von den klassischen Bits herkömmlicher Computer, weil sie das Prinzip der Superposition ausnutzen: nicht nur die binären Zustände 1 oder 0, sondern eine Wahrscheinlichkeitsverteilung. Dadurch werden Algorithmen möglich, die Aufgaben lösen können, die mit konventionellen Rechenmethoden als ausser Reichweite gelten.

Damit Quantenalgorithmen im Alltag tatsächlich praktikabel werden, braucht es allerdings sehr viele Qubits. Ein wichtiger Grund für solche grossen Arrays ist die Fehlerkorrektur: Sie begegnet der grundsätzlichen Fragilität eines Qubits, indem zusätzliche Qubits als Reserve dienen, um die Arbeitsweise der Maschine gegenprüfen zu können.

„Dies ist ein aufregender Moment für das Neutralatom-Quantencomputing“, sagt der Physiker Manuel Endres. „Wir können nun einen Weg zu grossen, fehlerkorrigierten Quantencomputern erkennen. Die Bausteine sind vorhanden.“

Ingenieurfortschritte statt einzelner Durchbruch

Der Sprung auf diese Qubit-Zahl geht nicht auf einen einzelnen entscheidenden Durchbruch zurück. Stattdessen war es eine Abfolge technischer Verbesserungen in mehreren zentralen Bereichen – von den Laser-Pinzetten bis hin zur Ultrahochvakuumkammer (also einem sehr niedrigen Druck).

Auch die Stabilität gilt als wiederkehrendes Problem vieler Quantencomputing-Systeme. In dem neuen Array sorgten die Neuerungen dafür, dass Qubits eine Superpositionslage fast 13 Sekunden lang halten konnten – also nahezu zehnmal länger, als es früheren Konfigurationen gelungen war.

Darüber hinaus liessen sich einzelne Qubits mit 99.98 Prozent Genauigkeit steuern, was einen wichtigen Richtwert für die Programmierbarkeit dieser Quantentechnologie setzt.

„Oft wird angenommen, dass ein grosser Massstab mit mehr Atomen auf Kosten der Genauigkeit geht, aber unsere Ergebnisse zeigen, dass beides möglich ist“, sagt der Physiker Gyohei Nomura.

„Qubits sind ohne Qualität nicht nützlich. Jetzt haben wir Quantität und Qualität.“

Nächste Schritte: Verschränkung für die Verarbeitung

Damit Quantencomputer eine praxistaugliche Alternative zu modernen Supercomputern werden, werden noch mehr Qubits und zugleich noch höhere Stabilität nötig sein. Fachleute gehen diese Herausforderung aus mehreren Richtungen an – weshalb Rekorde bei bestimmten Typen von Quantencomputern nicht automatisch auf andere Ansätze übertragbar sind.

Als Nächstes müssen die Forschenden daran arbeiten, Verschränkung gezielt auszunutzen. Sie soll dem System den Schritt ermöglichen, von der reinen Speicherung von Informationen zur tatsächlichen Verarbeitung überzugehen. In nicht allzu ferner Zukunft könnten solche Rechner dazu eingesetzt werden, neue Materialien, Materie und grundlegende Gesetze der Physik zu entdecken.

„Es ist aufregend, dass wir Maschinen entwickeln, die uns helfen, das Universum auf eine Weise zu verstehen, die nur die Quantenmechanik lehren kann“, sagt die Physikerin Hannah Manetsch.

Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.