Supraflüssiger Helium-Qubit könnte Quantenfehlerquoten um Faktor 100 senken

Das vorgeschlagene Gerät trägt den Namen Superfluid Helium Oscillator Quantum, kurz SHOQ. Laut ScienceDaily, das am 1. Oktober über die Arbeit der University of Surrey berichtete, nutzt das Design elektrisch neutrales supraflüssiges Helium-3, um Quanteninformation vor elektromagnetischem Rauschen zu schützen. Es ist das erste dokumentierte Design eines Qubits, das auf einem Suprafluid basiert.

Diese Behauptung ist relevant, weil Quantencomputer auf eine langweilige, teure Weise empfindlich sind. Supraleitende Qubits, die derzeit dominierende Hardware, reagieren stark auf elektromagnetisches Rauschen und Streuladungen. Das ist dieselbe Art von Störung, die Haare an einer Ballonoberfläche kleben lässt. Kleine Störungen können gespeicherte Informationen durcheinanderbringen, und das Problem wird schwieriger, je mehr Qubits verbaut werden.

Die Gruppe von Sharma behauptet kein funktionsfähiges Gerät. Sie behauptet ein Design mit Spezifikationen.

„Die Mathematik sagt uns, dass es funktionieren sollte. Wir haben das, was wir bereits über supraflüssiges Helium und Quantentechnologien wissen, in ein fundiertes Design mit den Parametern und Spezifikationen umgewandelt, die zum Bau eines solchen Geräts nötig sind. Der nächste Schritt ist die Erstellung eines Prototyps und das Testen dieser Vorhersagen“, sagte Dr. Priya Sharma, Daphne Jackson Fellow in Hybrid Quantum Systems an der Surrey und leitende Autorin der Studie.

Der Vorschlag kommt zu einem Zeitpunkt, an dem Regierungen, Universitäten und Unternehmen Quantenhardware in mehreren Richtungen gleichzeitig vorantreiben. Am 27. September veröffentlichte das US-Energieministerium einen Bericht mit dem Titel „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future“, wie von Fermilab berichtet. Die Roadmap, geleitet von Fermilab-Cheftechnologe Anna Grassellino mit Professor Supratik Guha von der University of Chicago als stellvertretendem Vorsitzendem, setzt einen dreiphasigen Pfad fest: Quantum Grand Challenges von 2026 bis 2028, dann eine DOE Quantum Computing User Facility, dann die Integration von Quanten-Coprozessoren und Sensoren in die Hochleistungsrechnungs- und KI-Netzwerke des DOE ab 2030.

Das Hauptziel des Berichts ist ein wissenschaftlich relevanter, fehlerkorrigierter Quantencomputer bis 2028. Er sagt ausdrücklich, dass Erfolg durch wissenschaftliche Nützlichkeit gemessen werden sollte, nicht durch Hardware-Meilensteine, und dass die DOE-Einrichtung kein kommerzieller „Black-Box“-Cloud-Dienst sein sollte.

Universelle Operationen und ein 25-jähriges Messproblem

Zwei weitere jüngste Ergebnisse zeigen, wie vielfältig die Wege zu nützlicher Quantencomputing geworden sind. Am 25. September berichtete ScienceDaily, dass Forscher der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, Harvard, Stony Brook University und Quantinuum einen universellen Gattensatz unter Verwendung nicht-abelscher Anyons auf Quantinuums H2-Gefangenenion-Prozessor mit 54 verschränkten Qubits demonstrierten. Die Arbeit, veröffentlicht in Nature, kombinierte Braiding- und Fusion-Operationen.

Henrik Dreyer von Quantinuum beschrieb nicht-abelsche Codes als „ein dunkles Pferd im Rennen um die Quantenfehlerkorrektur“ und sagte, das Ergebnis zeige, dass fehlertolerante Berechnung grundsätzlich ohne Magic State Distillation oder Zucht durchgeführt werden kann, was er die teuersten Operationen in der Standard-Fehlerkorrektur nannte. Das ältere Experiment von 2024 auf derselben Hardware erstellte Anyons, die an die Symmetriegruppe D4 gebunden waren, aber alleiniges Braiding reichte nicht für universelle Berechnung aus. Der neue Lauf wechselte zur Symmetriegruppe S3, den Rotationen und Spiegelungen, die ein gleichseitiges Dreieck unverändert lassen.

Getrennt davon berichteten Forscher der Kyoto University und Hiroshima University am 29. September über eine Methode zur Identifizierung von W-Zuständen, eine Form der Multi-Photonen-Verschränkung. Mehr als 25 Jahre nach dem Vorschlag des äquivalenten Messverfahrens für GHZ-Zustände demonstrierte das Team dies für drei-Photonen-W-Zustände, laut korrespondierendem Autor Shigeki Takeuchi. Die Arbeit könnte in Quantenteleportation und messbasiertes Quantencomputing einfließen.

Keines dieser Ergebnisse macht die anderen überflüssig. Das SHOQ-Gerät von Surrey ist ein Design, keine Messung. Das Quantinuum-Ergebnis ist eine experimentelle Demonstration auf vorhandener Hardware. Die Kyoto-Arbeit ist eine Messtechnik für photonische Zustände. Die DOE-Roadmap ist ein Finanzierungs- und Infrastrukturplan.

Was das Suprafluid-Design noch braucht

Das Surrey-Team sagt, das SHOQ-Gerät könnte letztlich neben supraleitender Hardware arbeiten, statt sie zu ersetzen, oder als Quantenspeicher dienen, während andere Qubits berechnen. Mitautor Dr. Eran Ginossar, außerordentlicher Professor am Department of Physics und Advanced Technology Institute von Surrey, sagte, die Kombination verschiedener Quantentechnologien könnte es Forschern ermöglichen, die Stärken jedes Systems zu nutzen, und dass supraflüssiges Helium „eine grundlegend andere Art von Quantenhardware zum Erforschen“ bietet.

Das Gerät würde extrem niedrige Temperaturen benötigen, aber die Forscher stellen fest, dass die notwendigen Bedingungen in früheren supraflüssigen Helium-3-Experimenten bereits erreicht wurden. Das Projekt wurde von Surrey unter Leitung von Professor Jens Koch an der Northwestern University geleitet, der an der Entwicklung des Transmon beteiligt war, einem supraleitenden Qubit-Design, das heute weit verbreitet ist. Die Prototyparbeit von Sharma wird durch eine IAA Commercialisation Fellowship unterstützt.

Bis dieser Prototyp existiert, bleibt die Faktor-100-Zahl eine Vorhersage aus einer Publikation, kein gemessenes Ergebnis. Dasselbe gilt für die Integrationsgeschichte: Ein Design, das grundsätzlich neben supraleitenden Qubits sitzen könnte, ist nicht dasselbe wie eines, das es tatsächlich tut.