Caltechs „Ocelot“ wird zum neuesten Fortschritt bei der Fehlerunterdrückung im Quantencomputing

Im vergangenen Jahr veröffentlichte McKinsey & Company einen umfassenden Bericht, der die zukünftige Entwicklung des Quantencomputings skizziert. Der Bericht trug den ambitionierten Titel ‘The Rise of Quantum Computing.’ Die Ambitionen waren jedoch nicht unbegründet.

McKinsey erklärte, dass die Reise zum Quantencomputing durch das beschleunigte Tempo technologischer Durchbrüche, den zunehmenden Investitionsfluss und die Verbreitung des Start-up-Ökosystems vorangetrieben wird.

All diese Faktoren veranlassen Geschäftsführende, robuste Quantencomputing-Strategien zu planen. Die aktualisierte McKinsey-Analyse für den dritten jährlichen Quantum Technology Monitor zeigt, dass vier Sektoren – Chemie, Life Sciences, Finanzen und Mobilität – voraussichtlich die frühesten Auswirkungen des Quantencomputings erleben werden und bis 2035 ein Potenzial von bis zu $2 trillion haben könnten.

Damit das Quantencomputing so wachsen kann, wie McKinsey es sich vorstellt, ist ein florierendes Innovationsökosystem erforderlich. In einem der fortschrittlichsten Durchbrüche in diesem Zusammenhang haben Wissenschaftler am AWS Center for Quantum Computing on Caltech’s campus¹ einen Weg gefunden, Fehler in Quantencomputern zu unterdrücken – ein Problem, das zur größten Hürde beim Bau zukunftsfähiger Quantenmaschinen werden könnte. 

Was war das ‘Problem’?

Der Bau eines universellen Quantencomputers, der über das Studium spezieller physikalischer Bereiche hinausgeht, bleibt aufgrund seiner inhärenten Empfindlichkeit gegenüber Rauschen eine Herausforderung. Forschende haben festgestellt, dass Vibrationen, Wärme, elektromagnetische Störungen durch Handys und WLAN-Netzwerke sowie sogar kosmische Strahlung und Strahlung aus dem Weltraum Qubits – die Quantenbits – aus ihrem Quantenzustand herauswerfen können und dadurch deutlich mehr Fehler verursachen als klassische Computer.

Um dies mit wissenschaftlicher Präzision zu erläutern, arbeitet die Forschung mit dem Titel ‘Hardware-Efficient Quantum Error Correction Via Concatenated Bosonic Qubits’ daran, Quantencomputer zu bauen, die eine Quantenfehlerkorrektur integrieren. Sie würde ein logisches Qubit besitzen, das redundant in vielen rauschenden physischen Qubits codiert ist.

Ocelot: Die Lösung

Einfach ausgedrückt demonstrierte das Team von Wissenschaftlern von AWS und Caltech eine neue Quantenchip-Architektur zur Unterdrückung von Fehlern, die einen Qubit-Typ verwendet, der als Cat‑Qubit bekannt ist.

Cat‑Qubits sind zwar nicht neu; sie wurden erstmals 2001 vorgeschlagen. Seitdem haben Forschende sie kontinuierlich weiterentwickelt und verfeinert. Der Durchbruch für das Team gelang mit der Schaffung des ersten skalierbaren Cat‑Qubit‑Chips, der darauf ausgelegt ist, Quantenfehler effizient zu reduzieren. Der Chip wurde Ocelot genannt, nach der gefleckten Wildkatze, und verweist gleichzeitig auf die interne „Oszillator“-Technologie, die den Cat‑Qubits zugrunde liegt.

Laut den Forschenden müssen die Fehlerraten um eine Milliarde Mal besser sein als heute. Nur dann können Quantencomputer als erfolgreich bezeichnet werden. Die neue Erfindung würde uns helfen, das Ziel schneller zu erreichen:

Laut Oskar Painter (PhD’ 01) ist John G. Braun Professor für Angewandte Physik und Physik an der Caltech und Leiter der Quantenhardware bei AWS:

“Die Fehlerraten sind etwa alle zwei Jahre um den Faktor zwei gesunken. Bei diesem Tempo würden wir 70 Jahre benötigen, um das gewünschte Niveau zu erreichen. Stattdessen entwickeln wir eine neue Chip‑Architektur, die uns möglicherweise schneller dorthin bringt. Das gesagt, ist dies ein frühes Bauelement. Wir haben noch viel Arbeit vor uns.”

Die Forschenden betonen zwar die Nachteile der aktuellen Qubit‑Technologien und sagen, dass Tausende zusätzlicher Qubits erforderlich sein könnten, um das gewünschte Schutzniveau vor Fehlern zu erreichen, was vergleichbar ist mit Zeitungsredaktionen, die ein riesiges Team von Faktenprüfern einsetzen, um die Genauigkeit ihrer Artikel zu verifizieren, anstatt nur ein kleines Team zu haben. Dies lässt den Prozess aufgrund der hohen Overhead‑Kosten, die übermäßig und unhandlich sind, zusammenbrechen.

Fernando Brandão, Bren-Professor für Theoretische Physik an der Caltech und Direktor für angewandte Wissenschaften bei AWS, erkennt dieses Problem an. Er sagt:

“Wir versuchen also neue Ansätze zur Fehlerkorrektur, die den Overhead reduzieren werden.”

Die Oszillationstechnologie, die Ocelot zugrunde liegt

Das Team verwendet einen Qubit‑Typ, der aus supraleitenden Schaltkreisen besteht, die aus Mikrowellen‑Oszillatoren gefertigt sind, wobei die Zustände 1 und 0 – die das Qubit repräsentieren – als zwei unterschiedliche großskalige Oszillationsamplituden definiert werden. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Qubit‑Zustände stabil und unempfindlich gegenüber Bit‑Flip‑Fehlern zu machen.

Sobald die Bit‑Flip‑Fehler behoben sind, bleibt der Phasen‑Flip‑Fehler zu korrigieren. Um Phasenfehler zu erkennen, setzt der Ocelot‑Chip vier Hilfs‑Qubits ein.

Der einfache Wiederholungscode des Teams ist wirksam beim Auffangen von Phasen‑Flip‑Fehlern und verbessert sich, wenn der Code von drei auf fünf Cat‑Qubits erweitert wird.

Der Weg nach vorn für die Forschung

Derzeit befindet sich die Demonstration in der Proof‑of‑Concept‑Phase. Doch die an dem Prozess beteiligten Forschenden, wie Painter, sind begeistert von der Leistung, die Ocelot gezeigt hat. Er sagt:

“Es ist ein sehr schwieriges Problem, das wir angehen müssen, und wir müssen weiterhin in Grundlagenforschung investieren, während wir mit der wichtigen Arbeit, die in der Wissenschaft geleistet wird, verbunden bleiben und von ihr lernen.”

Wie Painter andeutete, benötigen diese Verbesserungen Unternehmensförderer. Es bedarf Investitionen, um sie zu skalieren. In den folgenden Abschnitten diskutieren wir einige dieser Unternehmen, die bedeutende Arbeit im Bereich des Quantencomputings leisten.

1. IBM (IBM )

IBM, der weltweit verehrte Technologieriese, bleibt dem Ziel verpflichtet, Quantencomputing praktisch zu machen für die Welt. Es betreibt eine eigene Sparte, IBM Quantum, die über Qiskit Zugang zu dem größten Quantencomputing‑Flotten der Welt bietet – einer Plattform, die Software‑Tools und Dienste bereitstellt, um ein ganzheitliches Programmiermodell für den Nutzen zu schaffen.

IBM’s QuantumSafe sichert beispielsweise ein Unternehmen für die Quantenzukunft, indem es seine 127‑Qubit‑Systeme kostenlos anbietet. Zusätzlich stellt die Plattform Zugang zu Systemen, Dokumentation und Lernressourcen an einem Ort bereit.

Das Unternehmen verpflichtet sich, Quantencomputing verantwortungsbewusst zu gestalten. Die Mission des Unternehmens in diesem Zusammenhang lautet, „der Katalysator zu sein, um die Welt besser funktionieren zu lassen“, und es betreibt eine Responsible Quantum Initiative, um sicherzustellen, dass unsere Entwicklung mit dieser Mission im Einklang steht.

Laut IBM ist Responsible Quantum Computing Quantencomputing, das sich seiner Auswirkungen bewusst ist. Das Unternehmen hat fünf Responsible Quantum Principles entwickelt, nach denen das Team intern arbeitet. Diese Prinzipien lauten:

• Einen positiven gesellschaftlichen Einfluss schaffen.
• Anwendungsfälle vorausschauend erkunden.
• IBMs Produkte genau bewerben
• Konsistente, prinzipienbasierte Entscheidungen treffen
• Eine vielfältige und inklusive Quanten-Community aufbauen

Mit stetigem Fortschritt entlang der IBM Quantum™‑Roadmap aktualisiert das Unternehmen seine Quantenplattform, um Cloud‑Dienste auf Unternehmensniveau bereitzustellen.

Konkret wird das Unternehmen mit einer Infrastruktur auf Unternehmensniveau aufrüsten. Um jedoch für seine Bestandsnutzer nahtlos zu bleiben, wird das Unternehmen sicherstellen, dass die endgültige Version der neuen IBM Quantum Platform der derzeitigen Version sehr ähnlich sein wird.

Das Unternehmen wird sicherstellen, dass Nutzer weiterhin Zugriff auf die Dokumentation und Lernressourcen haben, die es traditionell bereitstellt. Das Upgrade wird jedoch den Mehrwert durch gesteigerte Leistung und leistungsstarke Funktionen erhöhen.

Zu den konkreten Funktionen gehören verbesserte Datenschutz‑ und Sicherheitsmaßnahmen, ein optimiertes Benachrichtigungserlebnis, eine bessere Plattformnavigation, mehrere Sprachoptionen für Nutzer, die andere Sprachen als Englisch sprechen, usw.

Für ein höheres Maß an öffentlicher Zugänglichkeit hat IBM ein Quantum Network aufgebaut. Das Netzwerk unterstützt Unternehmen, Universitäten, Labore und Branchenführer auf ihrem Weg zur Weiterentwicklung der Quanten‑Nützlichkeit. Mitglieder erhalten Zugang zu Lernressourcen, Experten und Veranstaltungen, um die Forschung zu beschleunigen und Zusammenarbeit zu fördern.

Für das letzte Geschäftsjahr verzeichnete IBM einen Umsatz von $62.8 billion, ein Plus von 1 Prozent, bzw. 3 Prozent bei konstanter Währung.

Während er über die Ergebnisse sprach, sagte Arvind Krishna, Vorsitzender, Präsident und CEO von IBM:

“Vor drei Jahren haben wir eine Vision für ein schneller wachsendes, profitableres IBM skizziert. Ich bin stolz auf die Arbeit, die das IBM‑Team geleistet hat, um unsere Verpflichtungen zu erfüllen oder zu übertreffen. Mit unserer fokussierten Strategie, dem erweiterten Portfolio und einer Innovationskultur sind wir gut für 2025 und darüber hinaus positioniert und erwarten ein Umsatzwachstum von mindestens fünf Prozent sowie einen freien Cashflow von etwa $13.5 billion in diesem Jahr.”

2. Microsoft (MSFT )

Ein weiterer führender Technologieriese, der Pionierarbeit im Bereich des Quantencomputings leistet, ist Microsoft. Seine Vision ist es, wissenschaftliche Entdeckungen durch branchenführende Spitzentechnologie zu beschleunigen.

Microsoft bietet die folgenden vier Quantenlösungen:

• Microsoft Quantum Compute Platform: Eine Plattform, die eine neue Generation von Quantenanwendungen ermöglicht.
• Azure Quantum Elements: Eine eigens entwickelte Lösung zur Beschleunigung wissenschaftlicher Entdeckungen.
• Quantum Hardware: Eine Lösung, die darauf abzielt, einen skalierbaren Quanten‑Supercomputer freizuschalten.
• Quantum Networking: Eine Lösung, die verteiltes Quantencomputing mit einem Quanten‑Netzwerk ermöglicht.

Betrachtet man diese Lösungen aus der Perspektive ihrer Nutzer, bieten verschiedene Lösungen unterschiedliche Dienste. Beispielsweise ermöglicht die Microsoft Quantum Compute Platform den Zugang zu modernster Quantenhardware, zuverlässigen logischen Qubits, fortschrittlichen KI‑Modellen und HPC‑Simulationen, um wissenschaftliche Entdeckungen zu beschleunigen.

Die Azure Quantum Elements‑Lösung hilft, wissenschaftliche Entdeckungen in Chemie und Materialwissenschaft durch Hochleistungsrechnen, Künstliche Intelligenz und einen zukünftigen Quantencomputer zu beschleunigen.

Durch Microsoft Quantum Hardware entwickelt das Unternehmen einen Quanten‑Supercomputer, der es der Welt ermöglichen wird, Probleme wie die Umkehrung des Klimawandels und die Verbesserung der Ernährungssicherheit anzugehen.

Schließlich zielt Microsoft Quantum Networking darauf ab, Quanten‑Netzwerkfähigkeiten bereitzustellen, um Quantencluster zu skalieren und neue sicherheitsbezogene Anwendungen zu ermöglichen.

Wenn wir tiefer in Microsoft Quantum Hardware eintauchen, erkennen wir, dass es tatsächlich ein Durchbruch ist. Es ist ein Durchbruch, weil es das Mess‑only‑Quantencomputing einführt – eine grundlegend einfachere Methode, Quanteninformation zu steuern.

Angetrieben von einem topologischen Kern ist Microsofts Prozessor darauf ausgelegt, auf eine Million Qubits zu skalieren – genug Rechenleistung, um die größten Herausforderungen der Menschheit in den Bereichen Energie, Medizin und darüber hinaus zu bewältigen.

In diesem Zusammenhang könnte man sich Microsofts in Nature veröffentlichte Arbeit mit dem Titel ‘Interferometric Single-Shot Parity Measurement In Inas–Al Hybrid Devices’ ansehen.

Insgesamt stützt sich Microsoft Quantum Hardware auf die folgenden Grundpfeiler:

• Skalierbarkeit: Die Lösung ist darauf ausgelegt, nützliches Quantencomputing zu ermöglichen.
• Stabilität: Sie ist auf Hardware‑Ebene fehlerresistent.
• Kompaktheit: Die Hardware kann mehr als eine Million Qubits auf einem einzigen Chip unterbringen.
• Schnelligkeit: Sie benötigt weniger als 1 microsecond pro Operation.
• Steuerbarkeit: Ihre Spannungspulse ermöglichen präzise digitale Kontrolle.

Betrachtet man die wichtigsten Funktionen von Azure Quantum Elements, nutzt seine generative Chemie die Leistungsfähigkeit generativer KI, um die Entdeckung und das Design neuer Moleküle mit gewünschten Eigenschaften stark zu vereinfachen. Die beschleunigte DFT‑Funktion bestimmt die Eigenschaften von Molekülen mit tausenden Atomen innerhalb von Stunden und bietet damit eine erhebliche Geschwindigkeitssteigerung gegenüber anderen DFT‑Codes.

Darüber hinaus erleichtert das offene Ökosystem die Nutzung bekannter Softwarelösungen, die für Azure Quantum Elements optimiert sind.

Microsofts Azure Quantum Elements hat mehreren Forschungseinrichtungen und Unternehmen geholfen, zukunftsweisende Lösungen zu liefern. Beispielsweise hat Unilever die Leistungsfähigkeit von Microsoft‑Supercomputing und KI‑Diensten genutzt, um seine F&D‑Transformation und Produktinnovation zu unterstützen.

Microsoft und das Pacific Northwest National Laboratory haben gemeinsam ein neues Material identifiziert, das das Potenzial für bessere Batterien birgt. Das Unternehmen hat mit AspenTech zusammengearbeitet, um einen Quanten‑Chemie‑Workflow zu entwerfen. Es hat sich mit Johnson Matthey zusammengeschlossen, um die Innovation von Wasserstoff‑Brennstoffzellen mit Azure Quantum zu beschleunigen.

Microsoft und 1910 Genetics haben sich zusammengeschlossen, um die F&D‑Produktivität der Pharmaindustrie zu beschleunigen, während es mit InQuanto zusammenarbeitete, um die Quanten‑Computational‑Chemistry zu beschleunigen. Insgesamt hat Microsoft eine Schlüsselrolle dabei gespielt, zu zeigen, wie Quantencomputing effizient nützlich für eine robuste und effiziente Zukunft werden kann.

Im Jahr 2024, dem 50. Firmenjubiläum von Microsoft. Das Unternehmen erzielte über $245 billion Jahresumsatz, ein Anstieg von 16 percent year-over-year, und über $109 billion in operating income, up 24 percent. Das Unternehmen erklärte ausdrücklich, dass es sich darauf konzentriert, technische Produkte und Unterstützungs‑Lösungen zu inkubieren, die ein transformatives Potenzial für die Zukunft des Cloud‑Computings und das fortgesetzte Unternehmenswachstum besitzen, wie etwa Quantencomputing und fortschrittliche KI für die Wissenschaft.

Während große Technologieunternehmen ihr Bestes geben, bleibt die institutionelle Forschung nicht zurück. Wir begannen unsere Diskussion mit einer solchen bahnbrechenden Forschung und werden mit einigen weiteren abschließen.

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Mehr über Quantencomputing-Forschung

Google Quantum AI und Mitwirkende veröffentlichten ihre Forschung im Dezember 2024 in Nature. Der Titel lautete Quantum Error Correction Below The Surface Code Threshold.²

Die Forschung behandelte das Thema Quantenfehlerkorrektur, ein Schlüsselweg zum praktischen Quantencomputing. Durch die Kombination mehrerer physischer Qubits zu einem logischen Qubit unterdrückt dieser Ansatz die logische Fehlerrate exponentiell, je mehr Qubits hinzugefügt werden.

Infolgedessen präsentierten die Forschenden zwei unter‑Schwellenwert‑Surface‑Code‑Speicher auf der neuesten Generation supraleitender Prozessoren, Willow, einen Code der Distanz 7 und einen Code der Distanz 5, integriert mit einem Echtzeit‑Decoder.

Die Ergebnisse waren bedeutend. Das System hielt die Leistung unterhalb des Schwellenwertes bei Echtzeit‑Decodierung aufrecht und erreichte eine durchschnittliche Decoder‑Latenz von 63 microseconds bei Distanzen von fünf bis zu einer Million Zyklen, bei einer Zykluszeit von 1.1 microseconds. Die Forschenden behaupteten, dass ihre Forschung darauf hindeutet, dass bei Skalierung die Geräteleistung die betrieblichen Anforderungen großskaliger fehlertoleranter Quantenalgorithmen erfüllen könnte.

Im Jahr 2022, mit Fokus auf Fehlerkorrektur, untersuchten IBM‑Forscher einen Code namens gross code, eine neue Art von Code, der Quanteninformation fehlerfrei mit einem Bruchteil des Hardware‑Overheads speichern kann. Dies könnte zu einer Fehlerkorrektur mit deutlich geringerem Overhead führen.

In einem in Nature veröffentlichten Papier suchte IBM gezielt nach fehlertolerantem Quanten‑Speicher mit geringem Qubit‑Overhead, hoher Fehlerschwelle und großer Code‑Distanz. Das Unternehmen behauptete, dass seine mathematische Analyse konkrete Beispiele für qLDPC‑Codes gefunden habe, die alle Bedingungen erfüllen: fehlertolerant zu sein, einen Quanten‑Speicher zu besitzen, eine hohe Fehlerschwelle, große Code‑Distanz und geringen Qubit‑Overhead.

Das Unternehmen behauptete, dass sein Code zu einer Familie von Codes namens „Bivariate Bicycle (BB)“ gehört. Diese würden nicht nur IBMs zukünftige Forschung prägen, sondern auch die Art und Weise, wie wir physische Quantensysteme entwerfen.

Insgesamt gibt es reichlich Spielraum, um stetige Fortschritte beim Erreichen des Quantenvorteils zu realisieren. Die globalen öffentlichen Investitionen in Quantentechnologie erreichten 2023 42 billion US$, wobei China mit einer angekündigten Regierungsinvestition von 15.3 billion US$ an der Spitze stand.

Es folgten Deutschland, das Vereinigte Königreich, die Vereinigten Staaten und Südkorea, unter anderem. Die Tatsache, dass technologisch fortgeschrittene Volkswirtschaften mehr in Quantencomputing und verwandte Technologien investieren, bezeugt das enorme Potenzial. Was wir jetzt sehen, könnte nur die Spitze des Eisbergs sein.

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