Eine laute Woche für Quantencomputer: universelle Anyonen, eine DOE-Roadmap und Materie aus dem Nichts

Das Ergebnis steht in einer Studie, die in Nature erschienen ist und der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvard, der Stony Brook University und Quantinuum zugeschrieben wird. Es ist die jüngste einer Reihe von Quanten-Ankündigungen, die innerhalb von vier Tagen außerdem eine Roadmap des US-Energieministeriums und die Simulation von Teilchen hervorgebracht hat, die aus einem gespannten Energiefaden entstehen.

Nicht-abelsche Anyonen liegen nicht einfach in der Natur herum. Sie entstehen in einem Quantenschaltkreis, indem man viele gewöhnliche Qubits verschränkt, bis sich der kollektive Zustand wie eine neue Teilchenart mit eigenen Regeln verhält.

Jede Anyone trägt einen inneren Zustand, der sich ändert, wenn man eine um eine andere herumbewegt. Dieser Vorgang heißt Braiding, und die Reihenfolge der Bewegungen zählt. Erst dadurch lassen sich Informationen so kodieren und manipulieren, wie es gewöhnliche Teilchen nicht können. Der Haken an der früheren Arbeit: Braiding allein reichte nicht. 2024 hatte ein Team um Ruben Verresen von der UChicago PME auf einer Quantinuum-Maschine Anyonen gebaut, die an die Symmetriegruppe D4 gekoppelt waren. Dieses System konnte aber nicht jede Operation ausführen, die ein universeller Quantencomputer braucht.

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

Für das neue Experiment wechselten die Forscher zu einer anderen Symmetrie, S3. Sie beschreibt die Drehungen und Spiegelungen, die ein gleichseitiges Dreieck unverändert lassen. Die passenden Anyonen erzeugten sie auf Quantinuums H2-Ionenfalle mit 54 verschränkten Qubits. Das S3-System hatte die Eigenschaften, die der D4-Version fehlten, und das Team verband Braiding mit Fusion zu einem vollständigen universellen Gattersatz.

„Wir haben einen sogenannten universellen Gattersatz gezeigt, das heißt: Wenn man Information in diesen emergenten Versionen von Quarks speichert und sie herumbewegt, kann man jede gewünschte Quantenberechnung ausführen“, sagte Verresen.

Warum das über die Physik hinaus zählt, sind die Kosten. Quantencomputer sind fehleranfällig, deshalb verteilt man Information über viele physikalische Qubits, um sie zu schützen. Diese Fehlerkorrekturverfahren erhalten die Daten, liefern aber meist nicht jede Operation, die für universelles Rechnen nötig ist. Ingenieure füllen die Lücke mit eigens präparierten „magic states“, deren aufwendige Destillation einen großen Teil der verfügbaren Qubits einer Maschine verschlingen 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. „In dieser Arbeit zeigen wir den ersten universellen Gattersatz in einem nicht-abelschen Code. Das belegt, dass fehlertolerante Berechnungen grundsätzlich ohne Magic-State-Destillation oder -Kultivierung möglich sind, die teuersten Operationen in Standard-Codes zur Quantenfehlerkorrektur.“

Von einer funktionierenden Maschine ist diese Aussage weit entfernt, und die Arbeit ist ein Prinzipienbeweis, kein Produkt. Trotzdem fällt sie in eine Woche, in der es im weiteren Feld ungewöhnlich laut zuging.

Eine Roadmap, eine Simulation und ein Kühlschrank

Am 27. September veröffentlichte Fermilab den Bericht des SCAC Quantum Committee des Energieministeriums, „Path to an Integrated Quantum Future“. Er beschreibt einen Dreiphasenplan, der bis 2028 einen wissenschaftlich relevanten, fehlerkorrigierten Quantencomputer demonstrieren soll. Phase eins läuft von 2026 bis 2028 und besteht aus wettbewerblichen „Quantum Grand Challenges“, die nationale Labore, Universitäten und Industrie zusammenbringen. Phase zwei würde eine DOE Quantum Computing User Facility einrichten, laut Bericht ein offenes wissenschaftliches Instrument und kein kommerzieller Cloud-Dienst. Phase drei sieht ab 2030 Quanten-Coprozessoren, Simulatoren und Sensoren vor, die in die KI- und Hochleistungsrechnernetze des DOE eingebettet sind.

Geleitet wurde der Bericht von einem Unterausschuss unter Vorsitz von Anna Grassellino, Technologievorstand von Fermilab, mit Supratik Guha von der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering als Stellvertreter. Fermilab zufolge flossen Beiträge von Hunderten Mitwirkenden aus nationalen Laboren, Hochschulen, Industrie und Bundesbehörden ein. Der Bericht betont zudem Technologieneutralität und legt sich nicht auf einen siegreichen Qubit-Typ fest.

Zwei Tage zuvor, am 26. September, berichtete ScienceDaily über ein von Duke geleitetes Experiment, das am 23. September in Nature Physics erschien. Die Forscher kodierten ein String-Breaking-Modell in eine Kette aus 13 gefangenen Ionen, stimmten mit Laserstrahlen ab, wie die Ionen wechselwirken, und beobachteten dann, wie sich ein System außerhalb des Gleichgewichts entwickelt.

Simuliert wurde der Prozess, bei dem zwei verbundene Bausteine der Materie auseinandergezogen werden, bis sich genug Energie ansammelt, dass beim Reißen der Verbindung neue Teilchenpaare entstehen. Dieser Mechanismus soll unter den extremen Bedingungen kurz nach dem Urknall gewirkt haben.

„Quantencomputersimulationen sind die beste Plattform, um komplexe Fragen wie die Materiebildung zu untersuchen, solange man den Urknall nicht selbst beobachtet hat“, sagte Christopher Monroe, der die Forschung in Duke leitete. Das Team verglich das Quantenergebnis mit einer klassischen Rechnung, und beide stimmten überein. Die Forscher weisen darauf hin, dass klassische Maschinen Simulationen dieser Größe noch bewältigen, und erwarten Quantenhardware erst als nötig, wenn die Probleme wachsen.

IBM arbeitet unterdessen an der Verkabelung. Die Ankündigung vom 19. August, weiterhin die jüngste Firmenmeldung in dieser Sammlung, meldete, dass das Unternehmen zwei kryogene Module zusammengeführt und in einer gemeinsamen Umgebung abgekühlt hat, ein Schritt hin zur Verknüpfung Hunderter Quantenchips. Die Module sind mehr als 8 Fuß hoch und 8 Fuß breit und kühlten in weniger als fünf Tagen auf 4 Kelvin ab, bevor sie unter 15 Millikelvin erreichten. Laut IBM bietet das Vakuumgehäuse jedes Moduls bis zu 12-mal mehr Platz für Verkabelung als die am weitesten verbreiteten Quantensysteme des Unternehmens. Die Roadmap des Konzerns zielt auf mindestens 1.000 programmierbare Qubits bis 2027 und eine fehlertolerante Maschine, IBM Quantum Starling, im Jahr 2029.

Ein Branchenblog, SemiEngineering, bezifferte den Markt für die begleitende Elektronik mit einer jährlichen Wachstumsrate von 41,8 Prozent von 2025 bis 2030, unter Berufung auf MarketsandMarkets, und argumentierte, präzise Bauteilmodelle bei kryogenen Temperaturen würden zum Engpass beim Skalieren. Das ist ein gesponserter Beitrag und keine begutachtete Forschung, und so sollte man ihn auch lesen.

Nimmt man die vier Entwicklungen zusammen, ist das Bild uneben. Das Anyonen-Ergebnis und die Duke-Simulation sind Labordemonstrationen mit klaren Einschränkungen. Die DOE-Roadmap ist ein Plan, keine Maschine. Die kryogenen Module von IBM sind ein Fertigungsmeilenstein auf einem Zeitplan, der bei anderen schon gerutscht ist. Was die Woche zeigt: Das Feld drückt jetzt an mehreren Fronten zugleich, von der Mathematik exotischer Teilchen bis zur Verkabelung im Kühlschrank.