Universelle Anyonen, eine DOE-Roadmap und ein Frühuniversum: die Quantenwoche

Das Team verschränkte 54 Qubits auf dem Ionenfallen-Prozessor H2 von Quantinuum und baute damit ein universelles Gatterset. Ruben Verresen ist Assistant Professor an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und Mitautor. Laut ScienceDaily sagte er: "Wir haben ein sogenanntes universelles Gatterset gezeigt. Das heißt: Wenn man Informationen in diesen emergenten Versionen von Quarks speichert und sie herumbewegt, kann man jede gewünschte Quantenberechnung ausführen."

Das Ergebnis ist wichtig, weil die Quantenfehlerkorrektur normalerweise einen Kompromiss erzwingt. Geschützte logische Qubits widerstehen dem Rauschen. Der Schutz selbst liefert aber nicht jede Operation, die eine universell einsetzbare Maschine braucht. Diese Lücke schließen Ingenieure mit Magic States. Deren Destillation kostet viele Qubits und viel Zeit.

Nicht-abelsche Anyonen gehen einen anderen Weg. In der Natur gibt es sie nicht als eigenständige Teilchen. Forschende verschränken viele gewöhnliche Qubits zu einem kollektiven Zustand, der sich wie ein neues Teilchen mit eigenen Regeln verhält. Bewegt man ein Anyon um ein anderes herum, ein Vorgang namens Braiding, ändert sich der innere Zustand des Paares. Die Reihenfolge dieser Bewegungen trägt Information.

Henrik Dreyer ist Managing Director und wissenschaftlicher Leiter des Münchner Büros von Quantinuum und Mitautor. Er sagte: "Nicht-abelsche Codes sind ein dunkles Pferd im Rennen um die Quantenfehlerkorrektur. In dieser Arbeit zeigen wir das erste universelle Gatterset in einem nicht-abelschen Code. Das belegt, dass fehlertolerante Berechnungen grundsätzlich ohne Magic-State-Destillation oder -Kultivierung möglich sind, die teuersten Operationen in den gängigen Quantenfehlerkorrektur-Codes."

Das neue Experiment folgt auf eine Arbeit von 2024, an der einige derselben Forschenden beteiligt waren. Damals entstanden Anyonen mit der Symmetriegruppe D4 auf einer Quantinuum-Maschine. Das Braiding allein reichte dort nicht. Verresen sagte: "Dieses besondere Universum, das wir erschaffen haben, war nicht mächtig genug." Das Team wechselte zur S3-Symmetrie, den Drehungen und Spiegelungen, die ein gleichseitiges Dreieck unverändert lassen.

Washington setzt das Ziel 2028

In derselben Woche veröffentlichte das US-Energieministerium eine nationale Roadmap für das Quantenrechnen. Fermilab, das den Bericht am 27. September publizierte, erklärte, das Dokument stamme aus einer Anstrengung der gesamten Forschungslandschaft. Geleitet wurde sie vom Quantum Subcommittee des Office of Science Advisory Committee unter Vorsitz von Fermilabs Chief Technology Officer Anna Grassellino; stellvertretende Vorsitzende war die University-of-Chicago-Professorin Supratik Guha. Der Bericht beschreibt einen an Meilensteinen ausgerichteten Weg, um den wissenschaftlichen Nutzen des Quantenrechnens nachzuweisen und Quantensysteme in die Forschungsinfrastruktur der DOE-Labore, in das Hochleistungsrechnen und in die künstliche Intelligenz zu integrieren.

Die Roadmap sieht einen dreiphasigen Rahmen vor. Phase I läuft von 2026 bis 2028 und richtet wettbewerbsorientierte Grand Challenges ein, in denen Nationale Labore, Universitäten und Industrie zusammenarbeiten. 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 stellt sich Quanten-Coprozessoren, Simulatoren und Sensoren vor, die in die bestehenden HPC- und KI-Netze des Ministeriums eingebettet sind. Das erklärte Ziel ist ein wissenschaftlich relevanter, fehlerkorrigierter Quantencomputer bis 2028.

Eine kleinere Maschine, eine andere Frage

An anderer Stelle berichteten Forschende der Duke University, mit einem 13-Ionen-Quantensimulator das String Breaking nachgebildet zu haben. Dieser Vorgang hängt mit der Bildung von Teilchen und Antiteilchen unter den extremen Bedingungen nach dem Urknall zusammen. Die Arbeit erschien am 23. September in Nature Physics und wurde von ScienceDaily am 26. September bekannt gegeben. Christopher Monroe, der die Forschung am Duke Quantum Center leitete, sagte: "Quantencomputersimulationen bieten die beste Plattform, um komplexe Fragen wie die Materiebildung zu untersuchen, wenn man den Urknall nicht selbst miterlebt hat."

An der Zusammenarbeit waren die University of Maryland, Oxford, Caltech, Cornell und die KU Leuven beteiligt. Klassische Berechnungen stimmten in diesem Maßstab mit den Quantenergebnissen überein, sagten die Forschenden. Sie erwarten jedoch, dass Quantenmaschinen übernehmen, wenn die Probleme wachsen. ScienceDaily wies darauf hin, dass zwei weitere kürzlich veröffentlichte Studien ähnliche Physik auf anderer Hardware reproduzierten, ein Zeichen dafür, dass das Ergebnis kein Einzelfall ist.

Auch die Hardware-Hersteller treiben die technische Seite voran. IBM erklärte am 19. August, zwei modulare kryogene Systeme verbunden und in einer einzigen Umgebung gekühlt zu haben, wobei Temperaturen unter 15 Millikelvin erreicht wurden. Das ist Teil der Roadmap zu einer fehlertoleranten Maschine im Jahr 2029. Der Bericht wurde am 21. September im Netzwerk von ScienceDaily erneut veröffentlicht. IBM zufolge bietet jedes Modul bis zu zwölfmal mehr Platz für Verkabelung als die am weitesten verbreiteten Quantensysteme des Unternehmens. Noch in diesem Jahr sollen Nighthawk-Prozessoren in den Modulen installiert werden.

Eine Einschränkung ist festzuhalten. Das Anyon-Ergebnis ist eine Demonstration auf 54 Qubits, kein funktionierender Computer, und die Duke-Simulation lief auf 13 Ionen.

Die DOE-Roadmap selbst rahmt 2028 als Ziel für den Nachweis des wissenschaftlichen Nutzens, nicht als Liefertermin. Die Berichte über die Roadmap von Quantum Zeitgeist am 26. September und von Fermilab am 27. September stimmen in der Substanz überein; keiner behauptet, dass eine Maschine existiert.