Nicht-abelsche Anyonen erreichen universelles Gatterset, DOE-Roadmap setzt Frist für 2028

Das Ergebnis ist vor allem deshalb wichtig, weil universelles Quantenrechnen bislang ein Versprechen gewöhnlicher Qubits war: jener Art, die Information in zwei Zuständen und deren Quantenmischungen speichert. Nicht-abelsche Anyonen sind etwas anderes. In der Natur gibt es sie nicht als eigenständige Teilchen. Wissenschaftler bauen sie in Schaltkreisen, indem sie viele konventionelle Qubits zu einem kollektiven Zustand verschränken, der eigenen Regeln folgt.

„Wir haben ein sogenanntes universelles Gatterset gezeigt. Das heißt: Wenn man Information in diesen emergenten Versionen von Quarks speichert und sie herumbewegt, lässt sich jede gewünschte Quantenrechnung ausführen“, sagte Ruben Verresen, Assistenzprofessor für Molekulartechnik an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und Mitautor der Studie. Das Zitat stammt aus ScienceDailys Bericht über die Arbeit.

Beteiligt waren Forscher der UChicago PME, der Harvard University, der Stony Brook University und von Quantinuum. Das Team wechselte zu einer Symmetriegruppe namens S3, also den Drehungen und Spiegelungen, die ein gleichseitiges Dreieck unverändert lassen, und erzeugte die entsprechenden Anyonen auf Quantinuums Ionenfallenprozessor H2.

Warum Fusion zählt, nicht nur Braiding

Vor zwei Jahren hatte ein Team um Verresen auf einem Quantinuum-Ionenfallenrechner Anyonen zu einer anderen Symmetriegruppe erzeugt, D4, die Drehungen und Spiegelungen eines Quadrats beschreibt. Dieses Experiment von 2024 zeigte, dass sich die Teilchen erzeugen und manipulieren lassen. Es zeigte nicht, dass Braiding allein ausreicht, um jede Operation eines universellen Rechners auszuführen.

„In dieser Arbeit haben wir nicht gezeigt, dass diese emergenten Kräfte für Quantenrechnen ausreichen“, sagte Verresen. „Dieses Universum, das wir erschaffen haben, war nicht mächtig genug.“

Das neue Experiment verbindet Braiding mit Fusion, also dem Verschmelzen von Anyonen, und deckt damit die volle Bandbreite der Operationen ab. Diese technische Lücke will die Arbeit schließen. ScienceDaily beschreibt den Ansatz als möglicherweise effizienter als den Standardweg, der auf Magic States aus Destillation setzt, einem Reinigungsschritt, der einen großen Teil der Qubits einer Maschine verbrauchen kann.

„Nicht-abelsche Codes sind ein Außenseiter im Rennen um die Quantenfehlerkorrektur“, sagte Henrik Dreyer, Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter von Quantinuums Münchner Büro und Mitautor der Studie.

Dreyers Aussage, ebenfalls von ScienceDaily übernommen, geht weiter: Die Arbeit zeige, dass fehlertolerante Berechnungen prinzipiell ohne Magic-State-Destillation oder -Kultivierung möglich seien, die als die teuersten Operationen in gängigen Quantenfehlerkorrektur-Codes gelten. ScienceDaily veröffentlichte seinen Bericht am 27. September.

Das DOE will bis 2028 wissenschaftlichen Nutzen

Am selben Wochenende kam ein Strategiepapier mit Frist dazu. Fermilab meldete am 27. September, das Department of Energy habe eine nationale Roadmap für Quantenrechnen veröffentlicht. Geschrieben hat sie ein Unterausschuss des Office of Science Advisory Committee unter Vorsitz von Fermilabs Technologiechefin Anna Grassellino, mit der University-of-Chicago-Professorin Supratik Guha als Stellvertreterin.

Der Bericht mit dem Titel „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future“ sieht drei Phasen vor. Phase I läuft von 2026 bis 2028 und formuliert wettbewerbliche, multidisziplinäre Aufgaben, die nationale Labore, Universitäten und Industrie zusammenbringen. Phase II plant eine DOE Quantum Computing User Facility, die der Bericht als offenes wissenschaftliches Instrument beschreibt, nicht als kommerziellen Cloud-Dienst. Phase III ab 2030 sieht Quanten-Coprozessoren, Simulatoren und Sensoren vor, die in die KI- und Hochleistungsrechnernetze des DOE eingebettet werden.

Das erklärte Ziel ist nicht der größte Quantencomputer, sondern die Lösung von Problemen, die sonst nicht zu bewältigen sind: Moleküleigenschaften für die Wirkstoffsuche vorhersagen, Katalysatoren entwerfen, Materialien für die Fusion simulieren und Physik des frühen Universums modellieren. Laut Fermilabs Mitteilung will die Roadmap bis 2028 einen wissenschaftlich relevanten, fehlerkorrigierten Quantencomputer demonstrieren.

Hardware und Modellierung bewegen sich weiter

IBM meldete am 19. August, zwei kryogene Module in einer gemeinsamen Umgebung verbunden und abgekühlt zu haben, ein Schritt hin zur Verknüpfung Hunderter Quantenchips. Laut IBMs Pressemitteilung sind die beiden Module mehr als 8 Fuß hoch und 8 Fuß breit, kühlen in unter fünf Tagen auf 4 Kelvin ab und erreichen kurz darauf Werte unter 15 Millikelvin. IBM zufolge bietet das Design bis zu 12-mal mehr Verkabelungsraum als die am weitesten verbreiteten Quantensysteme des Unternehmens, und IBM wiederholt das Roadmap-Ziel einer fehlertoleranten Maschine, IBM Quantum Starling, für 2029.

„Die erfolgreiche Verbindung und der Betrieb dieser kryogenen Module sind ein Sprung nach vorn in diese Richtung“, sagte Jay Gambetta, Direktor von IBM Research und IBM Fellow, in der Mitteilung. IBM will die Nighthawk-Prozessoren noch in diesem Jahr in die Module einbauen.

Abseits der Schlagzeilen beschreibt ein gesponserter Beitrag auf SemiEngineering vom 24. September einen anderen Engpass: die Steuer- und Ausleseelektronik, die bei kryogenen Temperaturen neben den Qubit-Wafern sitzt. Der Beitrag von Keysight nennt eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 41,8 Prozent für den Markt für Quantenrechnen von 2025 bis 2030, mit MarketsandMarkets als Quelle, und beschreibt einen hybriden Ansatz: Bei Raumtemperatur wird ein kompaktes BSIM-BULK-Modell angepasst, dann lernen neuronale Netze das Restverhalten bei 4 Kelvin, das das physikalische Modell nicht erfasst.

Das sind Ingenieursprobleme, keine Ankündigungen. Sie werden entscheiden, ob etwas davon planmäßig kommt.

Die Materialsammlung sagt nicht, wann die Nature-Arbeit online erschien, nur dass ScienceDaily am 27. September darüber berichtete. Sie nennt auch keine Fehlerrate für die Demonstration mit 54 Qubits, sodass der praktische Abstand zwischen einem universellen Gatterset auf H2 und einer nutzbaren Maschine hier unbestimmt bleibt. Das Ziel des DOE für 2028 ist ein Meilenstein für wissenschaftlichen Nutzen, nicht die Behauptung, dass eine solche Maschine heute existiert.