Universelle Anyonen, eine DOE-Roadmap und eine Simulation des frühen Universums: die Quantenwoche

Für die Arbeit nutzte das Team 54 verschränkte Qubits auf Quantinuums Ionenfallen-Prozessor H2 und baute damit einen universellen Gatesatz, wie es ihn nennt. Ruben Verresen, Assistant Professor an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und Mitautor, sagte laut ScienceDaily: "Wir haben einen sogenannten universellen Gatesatz gezeigt. Das heißt: Wenn man Information in diesen emergenten Versionen von Quarks speichert und sie herumbewegt, kann man jede gewünschte Quantenberechnung ausführen."

Die Behauptung ist wichtig, weil Quantenfehlerkorrektur normalerweise einen Kompromiss erzwingt. Geschützte logische Qubits widerstehen Rauschen, doch der Schutz selbst liefert nicht jede Operation, die eine universell einsetzbare Maschine braucht. Ingenieure schließen die Lücke mit Magic States, die sich nur mit hohem Aufwand an Qubits und Zeit destillieren lassen.

Nicht-abelsche Anyonen nehmen 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 als Braiding bezeichneter Vorgang, ändert sich der interne Zustand des Paares, und die Reihenfolge dieser Bewegungen trägt Information.

Henrik Dreyer, Managing Director und Scientific Lead in Quantinuums Münchner Büro und Mitautor, sagte: "Nicht-abelsche Codes sind ein dunkles Pferd im Rennen um die Quantenfehlerkorrektur. In dieser Arbeit zeigen wir den ersten universellen Gatesatz in einem nicht-abelschen Code. Das belegt, dass sich fehlertolerante Berechnungen im Prinzip durchführen lassen, ohne auf Magic-State-Destillation oder -Kultivierung zurückzugreifen, die teuersten Operationen in standardmäßigen Quantenfehlerkorrektur-Codes."

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

Washington setzt sich das Ziel 2028

In derselben Woche veröffentlichte das US-Energieministerium eine nationale Roadmap für Quantencomputer. Fermilab, das den Bericht am 27. September publizierte, erklärte, das Dokument gehe auf eine Anstrengung des gesamten Feldes zurück, angeführt vom Quantum Subcommittee des Office of Science Advisory Committee unter dem Vorsitz von Fermilabs Chief Technology Officer Anna Grassellino, mit der University of Chicago-Professorin Supratik Guha als stellvertretende Vorsitzende. Der Bericht zeichnet einen an Meilensteinen ausgerichteten Weg vor, um den wissenschaftlichen Nutzen von Quantencomputern nachzuweisen und Quantensysteme in die Forschungsinfrastruktur der DOE-Labore, in High-Performance Computing und in 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 und 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 eingebunden sind. Das erklärte Ziel ist ein wissenschaftlich relevanter, fehlerkorrigierter Quantencomputer bis 2028.

Eine kleinere Maschine, eine andere Frage

Andernorts berichteten Forschende der Duke University, mit einem Quantensimulator aus 13 Ionen das String Breaking nachgebildet zu haben, einen Vorgang, der mit der Bildung von Teilchen und Antiteilchen unter den extremen Bedingungen nach dem Urknall zusammenhängt. Die Arbeit erschien am 23. September in Nature Physics und wurde am 26. September von ScienceDaily bekannt gegeben. Christopher Monroe, der die Forschung am Duke Quantum Center leitete, sagte: "Quantencomputersimulationen sind die beste Plattform, um komplexe Fragen wie die Entstehung von Materie zu untersuchen, solange man den Urknall nicht selbst beobachtet 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, rechneten aber damit, dass Quantenmaschinen die Aufgabe übernehmen, sobald die Probleme wachsen. ScienceDaily wies auf zwei weitere kürzlich veröffentlichte Studien hin, die ähnliche Physik auf anderer Hardware nachbildeten, ein Zeichen dafür, dass das Ergebnis kein Einzelfall ist.

Auch die Hardwarehersteller treiben die Technik voran. IBM teilte am 19. August mit, zwei modulare kryogene Systeme zu einer einzigen Umgebung verbunden und abgekühlt zu haben, mit Temperaturen unter 15 Millikelvin, als Teil seines Wegs 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 seine am weitesten verbreiteten Quantensysteme, und noch in diesem Jahr sollen Nighthawk-Prozessoren in den Modulen installiert werden.

Eine Einschränkung gehört dazu. Das Anyonen-Ergebnis ist eine Demonstration auf 54 Qubits, kein funktionsfähiger Computer, und die Duke-Simulation lief auf 13 Ionen.

Die DOE-Roadmap selbst nennt 2028 als Ziel für den Nachweis des wissenschaftlichen Nutzens, nicht als Liefertermin. Die Berichterstattung über die Roadmap von Quantum Zeitgeist am 26. September und von Fermilab am 27. September stimmt in der Sache überein; keine der beiden behauptet, es gebe bereits eine Maschine.