Viel los im Quantencomputing: universelle Anyonen, eine DOE-Roadmap und Materie aus dem Nichts

Die Studie erschien in Nature. Beteiligt waren die University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvard, die Stony Brook University und Quantinuum. Sie ist die jüngste einer Reihe von Quantencomputing-Meldungen. Binnen vier Tagen kamen eine Roadmap des US-Energieministeriums und die Simulation von Teilchen hinzu, die aus einer gestreckten Energieschnur entstehen.

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

Jedes Anyon trägt einen inneren Zustand, der sich ändert, wenn man eines um ein anderes bewegt. Dieser Vorgang heißt Braiding, und die Reihenfolge der Bewegungen zählt. Genau diese Eigenschaft erlaubt es, Information so zu kodieren und zu verarbeiten, wie es gewöhnliche Teilchen nicht können. Der Haken an der früheren Arbeit: Braiding allein reichte nicht. Im Jahr 2024 baute ein Team, zu dem Ruben Verresen von der UChicago PME gehörte, Anyonen auf einer Quantinuum-Maschine, die an die Symmetriegruppe D4 gekoppelt waren. Dieses System konnte jedoch 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 im Bericht von ScienceDaily. "Dieses besondere Universum, das wir erschufen, 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-Prozessor mit gefangenen Ionen, unter Einsatz von 54 verschränkten Qubits. Das S3-System hatte die Eigenschaften, die der D4-Version fehlten. Das Team verband Braiding mit Fusion und erreichte so einen vollständigen universellen Gattersatz.

"Wir haben einen sogenannten universellen Gattersatz gezeigt, das heißt: Wenn Sie Information in diesen emergenten Versionen von Quarks speichern und sie herumbewegen, können Sie jede Quantenberechnung durchführen, die Sie möchten", sagte Verresen.

Warum das über die Physik hinaus zählt, sind die Kosten. Quantencomputer sind fehleranfällig, deshalb wird Information über viele physikalische Qubits verteilt, um sie zu schützen. Diese Fehlerkorrekturverfahren bewahren die Daten, liefern aber meist nicht jede Operation, die für universelles Rechnen nötig ist. Ingenieure schließen die Lücke mit eigens präparierten "magischen Zuständen". Deren aufwendige Destillation kann einen großen Teil der verfügbaren Qubits einer Maschine verschlingen.

"Nicht-abelsche Codes sind ein dunkles Pferd 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 magische Zustandsdestillation oder -kultivierung möglich sind, die teuersten Operationen in den üblichen Quantenfehlerkorrekturcodes."

Von einer funktionierenden Maschine ist diese Behauptung weit entfernt, und die Arbeit ist ein Prinzipienbeweis, kein Produkt. Trotzdem fällt sie in eine Woche, in der das weitere Feld ungewöhnlich laut war.

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 skizziert einen Drei-Phasen-Plan, 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 National Labs, Universitäten und Industrie zusammenbringen. Phase zwei würde eine DOE Quantum Computing User Facility einrichten, im Bericht als offenes wissenschaftliches Instrument beschrieben, nicht als kommerzieller Cloud-Dienst. Phase drei sieht ab 2030 Quanten-Coprozessoren, Simulatoren und Sensoren vor, die in die KI- und Hochleistungsrechnernetze des DOE eingebettet werden.

Der Bericht wurde von einem Unterausschuss erarbeitet, dem Anna Grassellino, Chief Technology Officer von Fermilab, vorsitzt, mit Supratik Guha von der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering als stellvertretendem Vorsitzenden. Fermilab zufolge flossen Beiträge von Hunderten Mitwirkenden aus National Labs, Hochschulen, Industrie und Bundesbehörden ein. Der Bericht betont zudem eine technologieneutrale Haltung und legt sich nicht auf einen siegreichen Qubit-Typ fest.

Zwei Tage zuvor, am 26. September, meldete ScienceDaily von einem Experiment unter Führung der Duke University, das am 23. September in Nature Physics erschienen war. Die Forscher kodierten ein String-Breaking-Modell in eine Kette aus 13 gefangenen Ionen. Mit Laserstrahlen stimmten sie die Wechselwirkung der Ionen ab und beobachteten dann, wie sich ein System außerhalb des Gleichgewichts entwickelte.

Der simulierte Prozess ist jener, bei dem zwei verbundene Bausteine der Materie auseinandergezogen werden, bis sich genug Energie ansammelt, dass neue Teilchenpaare entstehen, wenn die Verbindung reißt. Dieser Mechanismus soll unter den extremen Bedingungen kurz nach dem Urknall gewirkt haben.

"Quantencomputersimulationen bieten die beste Plattform, um komplexe Fragen wie die Materiebildung zu untersuchen, wenn man den Urknall selbst nicht 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 merken an, dass klassische Maschinen Simulationen dieser Größenordnung noch bewältigen, und erwarten, dass Quantenhardware erst mit wachsenden Problemen nötig wird.

IBM arbeitet unterdessen am Innenausbau. Die Ankündigung vom 19. August, nach wie vor die jüngste Unternehmensmeldung in dieser Sammlung, besagt, dass IBM zwei kryogene Module zusammengeführt und auf eine gemeinsame Umgebung abgekühlt hat, ein Schritt hin zur Verbindung Hunderter Quantenchips. Die Module sind mehr als 8 Fuß hoch und 8 Fuß breit und wurden in unter fünf Tagen auf 4 Kelvin gekühlt, bevor sie unter 15 Millikelvin erreichten. IBM zufolge bietet die Vakuumhülle jedes Moduls bis zu 12-mal mehr Verkabelungsraum 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, genaue Bauteilmodelle bei kryogenen Temperaturen würden zum Engpass für die Skalierung. Das ist ein gesponserter Beitrag, keine begutachtete Forschung, und sollte auch so gelesen werden.

Nimmt man die vier Entwicklungen zusammen, ist das Bild uneinheitlich. Das Anyonen-Ergebnis und die Duke-Simulation sind Labordemonstrationen mit deutlichen Einschränkungen. Die DOE-Roadmap ist ein Plan, keine Maschine. IBMs kryogene Module sind ein Fertigungsmeilenstein nach einem Zeitplan, der bei anderen schon gerutscht ist. Was die Woche zeigt: Das Feld stößt jetzt an mehreren Fronten zugleich vor, von der Mathematik exotischer Teilchen bis zur Verkabelung in einem Kühlschrank.