Google macht Durchbruch beim Quantencomputing: Fehlerrate um das 40-fache reduziert, entscheidende Ressourcenengpässe überwunden
Google hat auf seinem Willow-Prozessor eine Technologie namens "magische Zustandserzeugung" validiert und die Quantenfehlerrate um etwa das 40-Fache reduziert. Die T-State logische Fidelity erreichte 99,99 % und setzte damit einen neuen Rekord in diesem Bereich. Sollte dieser Durchbruch erfolgreich skaliert werden können, würde dies den für den Aufbau fehlertoleranter Quantensysteme erforderlichen Hardwareaufwand erheblich reduzieren und hätte eine große Bedeutung für die Kommerzialisierung der Quantenberechnung.
Das Quantum AI-Team von Google hat einen entscheidenden Fortschritt im Bereich der Quantencomputer erzielt, der die Hardwarekosten für den Bau praktikabler Quantensysteme drastisch senken könnte.
Die entsprechende Forschung wurde am Donnerstag in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Google validierte auf seinem Willow-Prozessor eine als "Magic State Cultivation" bezeichnete Technik und verringerte die Quantenfehlerrate um etwa das 40-fache, wobei die logische T-State-Fidelity 99,99 % erreichte. Dies ist der bisher höchste Rekord in diesem Bereich.
Die Herstellung von Magic States galt lange als das zentrale Nadelöhr für die Skalierung von Quantencomputern – Schätzungen zufolge könnten bis zu 95 % der Rechenleistung eines Quantencomputers speziell für die Erzeugung von Magic States benötigt werden, während die Ressourcen für tatsächliche Berechnungen äußerst begrenzt bleiben.
Falls dieser Durchbruch erfolgreich skaliert werden kann, würde dies den Hardwarebedarf für den Aufbau fehlertoleranter Quantensysteme erheblich reduzieren und hätte große Bedeutung für den Weg zur Kommerzialisierung von Quantencomputing.
Google betonte gleichzeitig, dass die Machbarkeit dieser Technik noch auf größerer Skala validiert werden muss und dass praktikable Quantencomputer noch in weiter Ferne liegen.
Zum Redaktionsschluss stieg der Google-Aktienkurs am Donnerstag um 0,24 %.
Magic State: Das Ressourcen-Schwarze Loch des Quantencomputings
Magic States sind entscheidend für die Implementierung von "universellem" Quantencomputing. Ein Quantenprozessor muss solche Magic States erzeugen, um komplexe Operationen durchzuführen, die klassische Computer übertreffen können. Doch sie können nach Gebrauch nicht wiederverwendet werden, wodurch sie zu einer knappen Ressource werden.
Die größte Herausforderung sind die Produktionskosten. Einige Studien schätzen, dass bis zu 95 % der Gesamtleistung eines Quantencomputers zur Herstellung von Magic States eingesetzt werden muss, wodurch nur wenige Ressourcen für die eigentlichen Rechenaufgaben verbleiben.
Dieses Nadelöhr wurde bereits 2004 von Forschern erkannt, und in den zwei Jahrzehnten danach Suchten Wissenschaftler fortlaufend nach Wegen, die Kosten für die Produktion von Magic States zu senken, doch die Fortschritte waren langsam.
Vorschlag für Magic State Cultivation, deutlicher Zugewinn an Ressourceneffizienz
Im Jahr 2024 präsentierten die Google Quantum AI-Forscher Craig Gidney, Noah Shutty und Cody Jones auf Grundlage bestehender Literatur einen Ansatz zur Magic State Cultivation.
Der Kern des Ansatzes ist, den Produktionsprozess als eine Filtermechanik zu gestalten: Rauschbeladene Quantenzustände werden in einen kleinen Bereich des Chips injiziert und dann durch eine Serie hochkoordinierter Messungen auf Fehler geprüft und fehlerhafte Versuche aussortiert, sodass hochreine und fehlerarme Quantenzustände "kultiviert" und gleichzeitig in eine größere, verwendbare Form kodiert werden.
Von der Theorie zur Umsetzung im Hardwarebereich war jedoch kein leichter Weg. Die Wissenschaftlerin Emma Rosenfeld erhielt während der anfänglichen Tests fortlaufend Daten, die "scheinbar die physikalischen Gesetze verletzten".
Nach mehreren Monaten der Überprüfung stellte das Team fest, dass die Ursache in einer fehlerhaften Annahme innerhalb der Mess-Benchmark-Technik lag – Störungen durch elektrische Geräte im Labor und Temperaturschwankungen beeinträchtigten die Validität der Benchmarks.
Das Team fügte daraufhin zusätzliche Kontrollmechanismen hinzu, um die Störeinflüsse zu unterdrücken und entwickelte eine neue Benchmark-Technik, die den Kultivierungsprozess selbst als Werkzeug zur Selbstkalibrierung nutzte.
Fidelity und Fehlerquote brechen Rekorde
Auf dem Willow-Prozessor reduzierte obiger Ansatz die Fehlerquote der Quantenzustände gegenüber unkultivierten Zuständen letztlich um etwa das 40-fache, wobei die logische T-State-Fidelity 99,99 % erreichte und damit neue Rekorde in diesem Bereich setzte.
Das Google-Team demonstrierte außerdem einen weiteren wichtigen Meilenstein: Sie überprüften, dass die kultivierten Magic States problemlos zwischen zwei verschiedenen Quantum Error Correction-Methoden übertragen werden können – konkret vom Distance-3 Color Code (ein neuerer Ansatz, geeignet für Cultivation) zum Distance-5 Surface Code (eine ausgereiftere Methode).
Dieser "Transfer" beweist, dass die gereinigten Quantenzustände im Hardware-System stabil existieren und übertragen werden können, und ebnet so den Weg für die Integration der Magic State Cultivation-Technologie in Googles bestehende Quantencomputer-Architektur.
Trotz dieser Fortschritte betonte Google klar, dass die Magic State Cultivation noch auf größerer Skala validiert werden muss, bevor sie für tatsächliche Quantencomputing-Aufgaben eingesetzt werden kann. Viele technische Herausforderungen bleiben weiterhin bestehen.
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