Nicht-abelsche Anyonen erreichen universelles Gatterset, DOE-Fahrplan setzt Frist auf 2028

Universelles Quantenrechnen war bislang vor allem das Versprechen gewöhnlicher Qubits. Diese speichern Informationen in zwei Zuständen und deren quantenmechanischen Überlagerungen. Nicht-abelsche Anyonen funktionieren anders. In der Natur existieren sie nicht als eigenständige Teilchen. Forscher erzeugen sie in Schaltkreisen, indem sie viele konventionelle Qubits zu einem kollektiven Zustand verschränken, der eigenen Regeln folgt.

„Wir haben ein sogenanntes universelles Gatterset demonstriert. Das bedeutet: Wenn man Informationen in diesen emergenten Versionen von Quarks speichert und sie bewegt, kann man jede beliebige Quantenberechnung ausführen“, sagte Ruben Verresen, Assistant Professor für Molekulartechnik an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und Mitautor der Studie. Das Zitat stammt aus dem Bericht von ScienceDaily über die Arbeit.

Beteiligt waren Forscher der UChicago PME, der Harvard University, der Stony Brook University und von Quantinuum. Das Team wechselte zu einer Symmetriegruppe namens S3. Sie beschreibt die Drehungen und Spiegelungen, die ein gleichseitiges Dreieck unverändert lassen. Auf Quantinuums H2-Ionenfallenprozessor erzeugte das Team die entsprechenden Anyonen.

Warum Fusion zählt, nicht nur Braiding

Vor zwei Jahren nutzte ein Team, dem auch Verresen angehörte, einen Quantinuum-Ionenfallenrechner, um Anyonen zu einer anderen Symmetriegruppe, D4, zu erzeugen. Diese Gruppe beschreibt die Drehungen und Spiegelungen, die ein Quadrat unverändert lassen. Das Experiment von 2024 zeigte, dass sich die Teilchen erzeugen und manipulieren lassen. Es zeigte jedoch nicht, dass Braiding allein ausreicht, um jede Operation auszuführen, die eine universelle Maschine benötigt.

„In dieser Arbeit haben wir nicht gezeigt, dass diese emergenten Kräfte für Quantenberechnungen ausreichen“, sagte Verresen. „Das Universum, das wir erschaffen haben, war nicht mächtig genug.“

Das neue Experiment kombiniert Braiding mit Fusion, dem Verschmelzen von Anyonen. So deckt es das gesamte Spektrum der Operationen ab. Genau diese technische Lücke will die Arbeit schließen. ScienceDaily beschreibt den Ansatz als potenziell effizienter als den Standardweg. Dieser setzt auf Magic States aus Destillation. Das ist ein Reinigungsschritt, der einen großen Teil der Qubits einer Maschine verbrauchen kann.

„Nicht-abelsche Codes sind ein dunkles Pferd im Rennen um die Quantenfehlerkorrektur“, sagte Henrik Dreyer, Managing Director und wissenschaftlicher Leiter von Quantinuums Münchner Büro und Mitautor der Studie.

Dreyers Aussage, ebenfalls von ScienceDaily wiedergegeben, geht weiter: Die Arbeit zeige, so seine Worte, dass fehlertolerante Berechnungen prinzipiell ohne Magic-State-Destillation oder -Kultivierung möglich seien. Diese gelten als die teuersten Operationen in Standardcodes zur Quantenfehlerkorrektur. ScienceDaily veröffentlichte seinen Bericht am 27. September.

Das DOE will bis 2028 wissenschaftlichen Nutzen

Am selben Wochenende legte das Department of Energy einen nationalen Fahrplan für Quantenrechnen vor. Fermilab gab am 27. September bekannt, dass das Dokument von einem Unterausschuss des Office of Science Advisory Committee verfasst wurde. Vorsitzende ist Anna Grassellino, Chief Technology Officer bei Fermilab. Stellvertretender Vorsitzender ist Supratik Guha, Professor an der University of Chicago.

Der Bericht trägt den Titel „SCAC Quantum Committee Report: Path to an Integrated Quantum Future“ und beschreibt drei Phasen. Phase I läuft von 2026 bis 2028 und setzt wettbewerbliche, multidisziplinäre Aufgaben, die nationale Labore, Universitäten und Industrie zusammenbringen. Phase II plant eine DOE Quantum Computing User Facility. Der Bericht beschreibt sie als offenes wissenschaftliches Instrument, nicht als kommerziellen Cloud-Dienst. Phase III sieht ab 2030 Quanten-Coprozessoren, Simulatoren und Sensoren vor, eingebettet in die KI- und Hochleistungsrechnernetze des DOE.

Das erklärte Ziel ist nicht der größte Quantencomputer, sondern die Lösung von Problemen, die sonst kaum lösbar sind: Moleküleigenschaften für die Wirkstoffsuche vorhersagen, Katalysatoren entwerfen, fusionsrelevante Materialien simulieren und Physik des frühen Universums modellieren. Fermilabs Ankündigung nennt als Ziel, bis 2028 einen wissenschaftlich relevanten, fehlerkorrigierten Quantencomputer zu demonstrieren.

Hardware und Modellierung bewegen sich darunter weiter

IBM meldete am 19. August, zwei kryogene Module in einer einzigen Umgebung zusammengeschlossen und abgekühlt zu haben. Das ist ein Schritt hin zur Verknüpfung hunderter Quantenchips. Laut IBMs Pressemitteilung sind die beiden Module mehr als 8 Fuß hoch und 8 Fuß breit. Sie kühlen in unter fünf Tagen auf 4 Kelvin ab und erreichen kurz darauf weniger als 15 Millikelvin. IBM zufolge bietet das Design bis zu 12-mal mehr Verkabelungsraum als seine am weitesten verbreiteten Quantensysteme. Das Unternehmen wiederholt außerdem das Fahrplanziel einer fehlertoleranten Maschine, IBM Quantum Starling, für 2029.

„Die erfolgreiche Verbindung und der Betrieb dieser kryogenen Module sind ein Sprung nach vorn in diese Richtung“, sagte Jay Gambetta, Direktor von IBM Research und IBM Fellow, in der Mitteilung. IBM will die Nighthawk-Prozessoren noch in diesem Jahr in die Module einbauen.

Weiter weg von den Schlagzeilen beschreibt ein gesponserter Beitrag auf SemiEngineering vom 24. September einen anderen Engpass: die Steuer- und Ausleseelektronik, die bei kryogenen Temperaturen neben Qubit-Wafern sitzt. Der Beitrag von Keysight nennt eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 41,8 Prozent für den Markt für Quantenrechnen von 2025 bis 2030, mit MarketsandMarkets als Quelle. Beschrieben wird ein hybrider Ansatz. Er nutzt ein kompaktes BSIM-BULK-Modell bei Raumtemperatur und lernt dann mit neuronalen Netzen das Restverhalten bei 4 Kelvin, das das physikbasierte Modell nicht erfasst.

Das sind technische Probleme, keine Ankündigungen. Sie werden entscheiden, ob etwas von all dem planmäßig kommt.

Die Akte sagt nicht, wann die Nature-Arbeit online erschien, nur dass ScienceDaily am 27. September darüber berichtete. Sie nennt auch keine Fehlerrate für die Demonstration mit 54 Qubits. Der praktische Abstand zwischen einem universellen Gatterset auf H2 und einer nützlichen Maschine bleibt hier also unbeziffert. Das Ziel des DOE-Fahrplans für 2028 ist ein Meilenstein für wissenschaftlichen Nutzen, nicht die Behauptung, dass es ihn heute schon gibt.