Google Quantum AI hat bekannt gegeben, dass das Unternehmen auf seinem Quantenprozessor Willow praktisch eine als „Magic-State-Kultivierung“ (magic state cultivation) bekannte Technik umgesetzt und dabei die Fehler im Vergleich zu nicht kultivierten Zuständen um etwa das 40-Fache reduziert hat. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Nach Angaben des Unternehmens behandelt dieser Schritt einen der schwierigsten Ressourcenengpässe, die einer Ausweitung des Quantencomputings auf praktische Anwendungen im Weg stehen.
Warum stellen Magic States einen Engpass dar?
Allgemeines Quantencomputing benötigt eine bestimmte Gruppe von Operationen, um nützliche Programme ausführen zu können, die über die Fähigkeiten klassischer Computer hinausgehen. Für diese Operationen werden spezielle Quantenzustände erzeugt, die als „Magic States“ bezeichnet und anschließend in fehlertoleranten Operationen verwendet werden. Die Erzeugung hochwertiger, fehlertoleranter Zustände verbraucht jedoch enorme Ressourcen. Von Google angeführte Schätzungen gehen davon aus, dass bis zu 95 % der Leistung eines Quantencomputers in ihre Erzeugung fließen könnten, anstatt in die eigentlichen Berechnungen.
Das Problem verschärft sich dadurch, dass ein Magic State bei seiner Verwendung verbraucht und nicht wiederverwendet werden kann, wodurch er zu einer knappen Ressource im Quantensystem wird.
Wie funktionierte die Kultivierungstechnik?
Die von Forschern von Google Quantum AI ausgehend von früheren Arbeiten entwickelte Idee besteht darin, einen verrauschten Zustand in einen kleinen Bereich des Chips einzuspeisen und anschließend eine Reihe koordinierter Messungen durchzuführen, um fehlerhafte Versuche zu erkennen und auszusondern. Auf diese Weise wird ein reiner, fehlerarmer Quantenzustand herangezüchtet und zugleich an eine größere Kodierung angepasst, die im Computer verwendet werden kann.
Die zentrale Herausforderung bestand darin, die theoretische Idee in ein auf echter Hardware arbeitendes System zu übertragen. Während der Tests stellte das Team fest, dass das Driften der elektrischen Ausrüstung und Temperaturschwankungen eine Form von Rauschen verursachten, die die Eignung der zur Bewertung der Ergebnisse verwendeten Messmethode beeinträchtigte. Nach Simulationen, Konsistenzprüfungen und einer Überprüfung der Annahmen fügten die Forscher Steuerungsmechanismen hinzu, um den Einfluss des Rauschens zu verringern, und entwickelten eine neue Messtechnik, die den Kultivierungsprozess selbst als Kalibrierungsinstrument nutzt.
Messergebnisse und praktische Veränderungen
Auf dem Willow-Prozessor erzielte das Protokoll im Vergleich zu nicht kultivierten Zuständen eine 40-fache Fehlerreduzierung. Außerdem erzeugte es T-Zustände mit einer logischen Genauigkeit von 99,99 %, ein Ergebnis, das Google als neuen Rekordwert in der Quantenmessung bezeichnete.
Das Team zeigte außerdem, dass zwischen zwei Arten der Quantenfehlerkorrektur gewechselt werden kann: „Farbcodes“ (color codes), die für die Kultivierung geeignet sind, und „Oberflächencodes“ (surface codes), eine etabliertere Methode. Dazu gehörte die Übertragung von Zuständen aus einem Farbcode mit Distanz 3 in einen Oberflächencode mit Distanz 5, wobei die gereinigten Zustände erhalten blieben und innerhalb der Hardware übertragen wurden.
Was ist noch nicht geklärt?
Das Ergebnis beweist noch nicht, dass praktisches Quantencomputing bereits verfügbar ist. Google räumt ein, dass die Kultivierung von Magic States in größerem Maßstab demonstriert werden muss, damit sie für nützliches Quantencomputing realistisch wird. Zudem bestehen weiterhin weitere technische und ingenieurwissenschaftliche Herausforderungen. Der tatsächliche Wert des Durchbruchs liegt darin, dass er eine zentrale Idee aus der Theorie in ein erfolgreiches Experiment auf einem echten Prozessor überführt und einen möglichen Weg aufzeigt, den Ressourcenbedarf für den Bau eines fehlertoleranten Quantencomputers zu verringern.