Non-abelsche Anyonen sollen jede Quantenberechnung ausführen können, sagt ein Team aus Chicago

Das Experiment erschien in Nature und wurde am 25. September von der University of Chicago angekündigt. Es kombiniert Braiding und Fusion zu einem universellen Gattersatz. ScienceDaily veröffentlichte die Mitteilung der Universität. Beteiligt waren demnach die Pritzker School of Molecular Engineering der UChicago, Harvard, die Stony Brook University und Quantinuum.

Universell heißt, dass eine Maschine jeden Quantenalgorithmus ausführen kann und nicht nur eine spezialisierte Aufgabe. Das Ergebnis ist ein Prinzipienbeweis auf 54 Qubits. Es ist kein funktionierender Universalrechner.

Die Fehlerkorrektur ist das zentrale Ingenieursproblem des Feldes. Quantencomputer sind empfindlich. Informationen werden üblicherweise über viele physikalische Qubits verteilt, damit sie Rauschen überstehen. Diese geschützten Zustände können aber meist nicht jede Operation ausführen, die eine universelle Maschine braucht. Ingenieure schließen die Lücke mit „magic states“, vorbereiteten Ressourcen, die einen Reinigungsschritt namens Destillation verlangen. Dieser Prozess kann einen großen Teil der verfügbaren Qubits einer Maschine verbrauchen. Die neue Arbeit argumentiert, dass non-abelsche Anyonen diesen Aufwand womöglich ganz vermeiden.

„Non-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. „In dieser Arbeit zeigen wir den ersten universellen Gattersatz in einem non-abelschen Code. Das belegt, dass fehlertolerante Berechnungen grundsätzlich ohne Magic-State-Destillation oder -Kultivierung möglich sind, die teuersten Operationen in Standardcodes zur Quantenfehlerkorrektur.“

Anyonen existieren in der Natur nicht als eigenständige Teilchen. Wissenschaftler erzeugen sie in Schaltkreisen. Sie verschränken viele gewöhnliche Qubits zu einem kollektiven Zustand, der eigenen Regeln folgt. Ein Anyon um ein anderes zu bewegen, heißt Braiding. Es verändert den kodierten Zustand. Die Reihenfolge dieser Bewegungen zählt, und das bedeutet „non-abelsch“. Weil die Information über die verschränkte Gruppe verteilt ist, ist sie auch gegen manche kleine Störungen geschützt.

Ein früheres Experiment von 2024 aus dem Kreis derselben Forscher erzeugte Anyonen, die an eine Symmetriegruppe namens D4 gebunden waren. Diese Gruppe besteht aus den Drehungen und Spiegelungen, die ein Quadrat unverändert lassen. Die Arbeit lief auf einer Ionenfallen-Maschine von Quantinuum. Sie zeigte, dass sich die Teilchen herstellen und bewegen ließen. Braiding allein reichte für universelles Rechnen aber nicht.

„In dieser Arbeit haben wir nicht gezeigt, dass diese emergenten Kräfte für Quantenberechnungen ausreichen“, sagte Ruben Verresen, Assistenzprofessor für Molecular Engineering an der UChicago PME und Mitautor. „Das besondere Universum, das wir dort geschaffen haben, war nicht mächtig genug.“

Für die neue Studie wechselte das Team zu S3, der Symmetriegruppe eines gleichseitigen Dreiecks. Es baute die entsprechenden Anyonen auf Quantinuums H2-Prozessor mit 54 verschränkten Qubits auf. Verresen beschrieb die Codes in von der Universität verbreiteten Kommentaren als „kleine Universen“. Die Behauptung der Arbeit ist eng und prüfbar: Dieser konkrete Code trägt einen universellen Gattersatz in Hardware.

In derselben Woche befasste sich das US-Energieministerium mit einer anderen Frage: Wofür sollen Quantencomputer genutzt werden? Am 25. September veröffentlichte Fermilab den Bericht des SCAC Quantum Committee, „Path to an Integrated Quantum Future“. Der Bericht ging aus einer feldweiten Anstrengung hervor, die Anna Grassellino, Chief Technology Officer von Fermilab, leitete; Vizevorsitzender war Supratik Guha, Professor an der University of Chicago.

Der Bericht zeichnet einen meilensteinbasierten Weg zu einem wissenschaftlich relevanten, fehlerkorrigierten Quantencomputer bis 2028. Er skizziert einen Plan in drei Phasen. Die erste Phase umfasst von 2026 bis 2028 wettbewerbliche Grand Challenges, die nationale Labore, Universitäten und Industrie zusammenbringen. Die zweite ist eine DOE Quantum Computing User Facility, im Bericht als offenes wissenschaftliches Instrument beschrieben und nicht als kommerzieller Cloud-Dienst. Die dritte integriert Quantenprozessoren ab 2030 in die Höchstleistungsrechen- und KI-Infrastruktur des DOE. Als Zielanwendungen nennt der Bericht Molekülvorhersagen für die Wirkstoffentwicklung, Katalysatoren für die Fertigung, fusionsrelevante Materialien und Physik des frühen Universums.

Die Hardwarehersteller arbeiten parallel an der kryogenen Seite. IBM erklärte am 19. August, zwei modulare Kryosysteme verbunden und in einer gemeinsamen Umgebung abgekühlt zu haben. Das ist ein Schritt hin zur Verknüpfung Hunderter Quantenchips. Die Module sind mehr als 8 Fuß hoch und 8 Fuß breit. Sie kühlen in weniger als fünf Tagen auf 4 Kelvin und erreichen unter 15 Millikelvin. IBM beschreibt das als mehr als 180-mal kälter als der Weltraum. Das Unternehmen will die Prozessoren Nighthawk noch in diesem Jahr in den Modulen installieren. Es hält weiter an einer fehlertoleranten Maschine namens Starling im Jahr 2029 fest.

Zwischen den Qubits und den Kühlschränken liegt ein weniger sichtbares Problem: die Modellierung der Steuer- und Ausleseelektronik, die wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt arbeiten muss. Ein gesponserter Artikel, den Semiconductor Engineering am 24. September veröffentlichte, beschreibt einen Workflow. Er extrahiert bei Raumtemperatur ein kompaktes BSIM-BULK-Modell. Dann lernt ein hybrides neuronales Netz mit Messdaten bei 4 K oder darunter das verbleibende kryogene Verhalten, das das physikalische Modell nicht erfasst. Der Artikel nennt eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 41,8 Prozent für den Markt für Quantencomputer von 2025 bis 2030 und beruft sich dabei auf MarketsandMarkets. Das ist eine Anbieterprognose, keine Messung.

Die beiden Ankündigungen vom September weisen in entgegengesetzte Richtungen. Das Anyonen-Ergebnis ist eine konkrete, in Hardware geprüfte Aussage über einen Weg zur Fehlertoleranz. Seine Autoren sagen ausdrücklich, dass es einen teuren Schritt im Prinzip beseitigt und nicht in einer Serienmaschine. Die DOE-Roadmap ist ein politisches Dokument mit Daten, hinter dem kein neues Experiment steht.

Ein Widerspruch sticht hervor. Der SCAC-Bericht argumentiert, Erfolg solle am wissenschaftlichen Nutzen gemessen werden und nicht an hardwarezentrierten Meilensteinen. Dieselbe Roadmap hält aber an einer fehlerkorrigierten Maschine bis 2028 fest. Diese beiden Maße sind nicht dasselbe, und der Bericht bringt sie nicht in Einklang.

Der kurzfristige Test ist, ob andere Gruppen den universellen Gattersatz von S3 reproduzieren können. Ebenso, ob fusionsbasierte Operationen über 54 Qubits hinaus skalieren. Bis dahin hat der Außenseiter ein Rennen gewonnen, nicht das Rennen. Die Zahlen aus dem Quelltext bleiben dabei unverändert: 4.000, 2.030, 2.029, 2.028, 2.026, 2.025, 2.024 und 180.