Quantencomputer: Universeller Gattersatz aus nicht-abelschen Anyonen und DOE-Frist bis 2028

Das Ergebnis stammt von der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago, Harvard, der Stony Brook University und Quantinuum. Es wurde in Nature veröffentlicht und von ScienceDaily am 25. September berichtet. Das Team erstellte und manipulierte nicht-abelsche Anyonen innerhalb eines 54-Qubit-Ionenfallen-Kreislaufs. Anschließend kombinierte es zwei Operationen, Braiding und Fusion, um zu zeigen, dass dieser Ansatz jeden Quantenalgorithmus unterstützen kann.

Das ist relevant, weil Quantencomputer empfindlich sind. Ingenieure schützen Informationen normalerweise, indem sie sie auf viele physikalische Qubits verteilen. Diese fehlerkorrigierten Codes liefern jedoch nicht alle Operationen, die für allgemeine Berechnungen benötigt werden. Der übliche Ansatz besteht darin, spezielle „Magic States“ durch einen Reinigungsprozess namens Destillation vorzubereiten. Dieser kann einen großen Anteil der Qubits einer Maschine verbrauchen.

„Wir haben einen sogenannten universellen Gattersatz demonstriert, was bedeutet, dass man, wenn man Informationen in diesen emergenten Versionen von Quarks speichert und sie bewegt, jede gewünschte Quantenberechnung durchführen kann“, sagte Ruben Verresen, Assistenzprofessor für Molekulare Ingenieurwesen an der UChicago PME und Mitautor, laut ScienceDaily.

Nicht-abelsche Anyonen werden nicht als eigenständige Partikel gefunden. Wissenschaftler erstellen sie, indem sie viele gewöhnliche Qubits in einen kollektiven Zustand verschränken, der sich wie ein neues Teilchen mit eigenen Regeln verhält. Jeder Anyon trägt einen internen Zustand, der sich ändert, wenn ein Anyon um einen anderen bewegt wird. Die Reihenfolge dieser Bewegungen trägt die Information. Im Jahr 2024 erstellte ein Team, zu dem auch Verresen gehörte, Anyonen, die an eine Symmetriegruppe namens D4 auf einer Quantinuum-Maschine gebunden waren. Alleiniges Braiding konnte jedoch nicht jede Operation abdecken.

„Nicht-abelsche Codes sind ein Außenseiter im Rennen um die Quantenfehlerkorrektur“, sagte Henrik Dreyer, Geschäftsführer und wissenschaftlicher Leiter des Quantinuum-Büros in München und Mitautor. „In dieser Arbeit zeigen wir den ersten universellen Gattersatz in einem nicht-abelschen Code. Dies belegt, dass fehlertolerante Berechnungen im Prinzip ohne Rückgriff auf Magic State Destillation oder Zucht durchgeführt werden können.“

Das neue Experiment wechselte zu einer Symmetriegruppe namens S3, den Rotationen und Spiegelungen, die ein gleichseitiges Dreieck unverändert lassen. Es lief auf 54 verschränkten Qubits. Das ScienceDaily-Paket vom 27. September listet den Artikel unter den Quantencomputing-Nachrichten der Woche.

Washington setzt ein Datum für nützliche Maschinen

Am 27. September veröffentlichte das Fermilab den SCAC Quantum Committee Report des Energieministeriums mit dem Titel „Path to an Integrated Quantum Future“. Der Bericht, geleitet von einem Unterausschuss unter der Leitung von Fermilab-CIO Anna Grassellino und University of Chicago Professor Supratik Guha als Vizevorsitzendem, setzt einen meilensteinbasierten Weg fest, um bis 2028 einen wissenschaftlich relevanten, fehlerkorrigierten Quantencomputer zu demonstrieren. Er skizziert auch eine langfristige Vision für eine dedizierte Quantum Computing User Facility.

Seine drei Phasen reichen von wettbewerbsbasierten „Quantum Grand Challenges“ zwischen 2026 und 2028, über die Planung der User Facility, bis hin zu einer integrierten Quantenzukunft ab 2030. Das Dokument argumentiert, dass Erfolg durch wissenschaftliche Nützlichkeit gemessen werden sollte, nicht durch Qubit-Zahlen. Das DOE sollte technologie-neutral bleiben.

Branchen-Roadmaps konvergieren bereits auf ähnliche Fristen. IBM erklärte am 19. August, dass es zwei kryogene Module verbunden und abgekühlt habe, um sie in eine einzelne Umgebung zu bringen. Dies ist ein Schritt in Richtung der Verknüpfung von hunderten von Quantenchips. Die Module sind mehr als 8 Fuß hoch und breit, kühlen in unter fünf Tagen auf 4 Kelvin ab und erreichen kurz darauf Werte unter 15 Millikelvin, laut der Unternehmensankündigung. IBM plant, mehrere Prozessoren zu einer Maschine mit mindestens 1.000 programmierbaren Qubits bis 2027 zu verbinden, auf dem Weg zum fehlertoleranten IBM Quantum Starling im Jahr 2029.

Auch die Anzahl der logischen Qubits bewegt sich. Interesting Engineering berichtete, dass Infleqtions Sqale-Maschine 30 verschränkte logische Qubits unter Verwendung von 80 physikalischen Qubits demonstrierte. Das Unternehmen sagt, dies mache es zum ersten neutralen Atom-System, das dieses Ziel auf einer kommerziellen Plattform erreicht. CEO Matt Kinsella sagte, das Unternehmen zielt auf 100 logische Qubits bis 2028 ab.

Simulation und Orbit

Quantenhardware wird auch auf physikalische Probleme gerichtet. ScienceDaily berichtete am 26. September, dass ein von Duke geführtes Team einen 13-Ionen-Quantensimulator nutzte, um String Breaking nachzuahmen, einen Prozess, der mit der Teilchenbildung im frühen Universum in Verbindung steht. Die Arbeit wurde am 23. September in Nature Physics veröffentlicht. Christopher Monroe, der die Forschung leitete, sagte, Quantensimulationen bieten die beste verfügbare Plattform, um die Materiebildung zu untersuchen, kurz vor der Beobachtung des Urknalls.

Weit weg vom Labor berichtete The Next Web am 28. September, dass das indische Startup TakeMe2Space seinen MOI-1A-Satelliten am 1. Oktober auf einem SpaceX-Rideshare-Flug starten wird. Das Unternehmen bezeichnet ihn als Indiens ersten orbitalen Rechen-Satelliten. Er trägt Nvidia Orin NX Edge-Chips und etwa 150 Watt Leistung, mit 23 gebuchten Kunden. Er ersetzt MOI-1, der am 12. Januar verloren ging, als die dritte Stufe von ISROS PSLV-C62 scheiterte.

Die beiden Stränge, bessere Fehlerkorrektur und von der Regierung gestützte Fristen, teilen nun einen Kalender. Ob die Physik diesem Zeitplan gerecht wird, ist die offene Frage.