Zwei Quanten-Meilensteine in drei Tagen: universelle Gatter und eine DOE-Roadmap

Zwischen den beiden Meldungen lagen rund 25 Stunden. Am 27. September berichtete ScienceDaily über einen universellen Gattersatz mit nicht-abelschen Anyonen. Das Team kam von der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago, aus Harvard, von der Stony Brook University und von Quantinuum. Die Arbeit lief auf Quantinuums Ionenfallen-Prozessor H2. Am selben Tag veröffentlichte Fermilab die nationale Quantencomputer-Roadmap des Energieministeriums. Erarbeitet hatte sie ein Unterausschuss des Office of Science Advisory Committee.

Beide Meldungen beschreiben eine Richtung, keine fertigen Maschinen. Bei der ersten geht es um einen Weg zur Fehlerkorrektur. Bei der zweiten darum, wie die US-Regierung den Fortschritt auf diesem Weg messen will.

Was tatsächlich gezeigt wurde

Das begutachtete Ergebnis erschien laut ScienceDaily in Nature. Das Team nutzte 54 verschränkte Qubits, um Anyonen zu erzeugen, die an eine Symmetriegruppe namens S3 gekoppelt sind. Diese Gruppe umfasst die Drehungen und Spiegelungen, die ein gleichseitiges Dreieck unverändert lassen. Das Team kombinierte zwei Operationen, Braiding und Fusion. Daraus ergab sich nach den Worten von Co-Autor Ruben Verresen ein universeller Gattersatz. Verresen ist Assistenzprofessor an der UChicago PME.

We demonstrated a so-called universal gate set, meaning that if you store information in these emergent versions of quarks, and you move them around, you can do any quantum computation you might want to do.

Diese Formulierung ist wichtig. Nicht-abelsche Anyonen kommen in der Natur nicht als eigenständige Teilchen vor. Ein Quantenschaltkreis erzeugt sie, indem er viele gewöhnliche Qubits zu einem kollektiven Zustand verschränkt. Dieser Zustand verhält sich wie ein neues Teilchen mit eigenen Regeln. 2024 erzeugte ein Team mit Verresen auf einer Ionenfallen-Maschine von Quantinuum Anyonen, die an eine andere Symmetriegruppe namens D4 gekoppelt waren. Das Braiding dieser Anyonen allein reichte für universelles Rechnen nicht aus. Die neue Arbeit wechselt zu S3 und ergänzt die Fusion.

Hier setzt das praktische Argument an. Quantencomputer sind fehleranfällig, deshalb wird Information meist über viele physikalische Qubits verteilt. Diese Fehlerkorrektur-Codes schützen die Daten. Sie liefern aber in der Regel nicht jede Operation, die für universelles Rechnen auf der geschützten Information nötig ist. Ingenieure füllen die Lücke mit Magic States. Diese brauchen einen aufwendigen Reinigungsschritt, die sogenannte Destillation. Henrik Dreyer ist Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter von Quantinuums Münchner Büro. Im Bericht von ScienceDaily sagte er, das Ergebnis zeige, dass fehlertolerantes Rechnen prinzipiell ohne Magic-State-Destillation oder -Kultivierung möglich sei.

Die Schlagzeile von ScienceDaily nennt nicht-abelsche Anyonen ein dunkles Pferd. Dreyer verwendete denselben Ausdruck. Das ist eine Positionierungsaussage von Leuten, die ein Interesse an diesem Ansatz haben. Es ist keine einhellige Sicht des Fachgebiets.

Die Roadmap und ihre Meilensteine

Der DOE-Bericht trägt den Titel "SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future". Er setzt ein meilensteinbasiertes Ziel. Angestrebt ist ein wissenschaftlich relevanter, fehlerkorrigierter Quantencomputer bis 2028. Fermilab zufolge hatte Anna Grassellino den Vorsitz des Unterausschusses; sie ist Technologievorstand von Fermilab. Supratik Guha von der UChicago PME war stellvertretender Vorsitzender. Am Beteiligungsprozess wirkten nationale Labore, Hochschulen, Industrie und Bundesbehörden mit. Hunderte Beitragende nahmen teil.

Das Dokument schlägt drei Phasen vor. Phase I läuft von 2026 bis 2028. Sie richtet wettbewerbliche Grand Challenges ein, die nationale Labore, Universitäten und Industrie um konkrete wissenschaftliche Ziele zusammenbringen. Phase II würde eine DOE Quantum Computing User Facility planen und bauen. Der Bericht beschreibt sie als offenes wissenschaftliches Instrument, nicht als kommerziellen Cloud-Dienst. Phase III ab 2030 sieht Quanten-Coprozessoren, Simulatoren und Sensoren vor. Sie sollen in die bestehende KI- und Hochleistungsrecheninfrastruktur des DOE eingebunden werden.

Als Erfolgsmaßstab gilt der wissenschaftliche Nutzen, nicht die Zahl der Qubits. Der Bericht nennt mehrere Zielprobleme. Dazu gehören die Vorhersage von Moleküleigenschaften für die Arzneimittelforschung, das Design von Katalysatoren, die Simulation fusionsrelevanter Materialien und die Modellierung der Physik des frühen Universums. Zudem verpflichtet er sich zu Technologieneutralität bei der Hardware. Dieses Detail ist wichtig angesichts der konkurrierenden Ansätze, die derzeit gefördert werden.

Die Hardware darunter

Beide Punkte wären wenig wert ohne die Kühlung und die Steuerelektronik rund um die Qubits. IBM erklärte am 19. August, zwei kryogene Module verbunden und in einer gemeinsamen Umgebung abgekühlt zu haben. Das Unternehmen nennt es einen Schritt hin zur Verknüpfung Hunderter Quantenchips. IBM zufolge erreichen die Module weniger als 15 Millikelvin. Sie sind für die L-Coupler-Technologie ausgelegt, die getrennte Quantenprozessoren verbindet. IBMs Roadmap sieht mindestens 1.000 programmierbare Qubits bis 2027 vor. Sie sieht außerdem ein fehlertolerantes System vor, IBM Quantum Starling, im Jahr 2029.

Jay Gambetta, Leiter von IBM Research, nannte das Verbinden und Betreiben der Module einen Sprung nach vorn in diese Richtung. Das ist eine Unternehmensaussage zur eigenen Roadmap. Das Ziel für 2029 bleibt unbewiesen.

Dazu kommt das weniger sichtbare Problem, die Elektronik neben den Qubits zu modellieren. Semiconductor Engineering veröffentlichte am 24. September einen gesponserten Blogbeitrag. Er beschreibt einen Workflow, um kompakte Bauteilmodelle bei Raumtemperatur zu extrahieren. Der Workflow nutzt dann hybride neuronale Netze, um das verbleibende kryogene Verhalten unterhalb von 4 Kelvin zu lernen. Er nennt eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 41,8 Prozent für den Quantencomputermarkt von 2025 bis 2030, mit MarketsandMarkets als Quelle. Das Material ist von Anbietern gesponsert, und die Marktzahl stammt von einem einzigen Marktforschungsunternehmen. Beides ist mit der üblichen Vorsicht zu behandeln.

Worauf zu achten ist

• Ob das S3-Ergebnis auf anderer Hardware reproduziert wird und wie viele physikalische Qubits die vollständige Operation tatsächlich verbraucht.
• Wer die Grand Challenges der Phase I gewinnt und ob das Ziel für 2028 den Kontakt mit Budgets übersteht.
• IBMs Einbau des Nighthawk-Prozessors in die kryogenen Module, geplant für später in diesem Jahr.
• Ob die technologieneutrale Formulierung des DOE Bestand hat, sobald die Beschaffung beginnt.

Die drei Stränge treffen noch nicht zusammen. Ein universeller Gattersatz auf 54 Qubits ist ein Laborergebnis. Eine Roadmap ist ein Plan. Kryogene Module sind Ingenieursarbeit. Die Lücke dazwischen ist die Geschichte. Sie schließt sich nicht nach einem Zeitplan, den jemand veröffentlicht hat.