Ist das Daisy-Chaining von Quantencomputern möglich? Forscher haben eine Antwort

Skalierung von Quantencomputing

Quantum computers are expected to one day become the core technology for advanced computation within biotechnology, material sciences, finances, cryptography, and other complex systems that silicon-based computers struggle to deal with.

Allerdings gibt es zwei Dinge, die Quantencomputer davon abhalten, weiter verbreitet zu werden.

Das erste ist, dass je mehr Qubits (die quantenmechanische Entsprechung eines binären Bits) ein System hat, desto höher die Fehlerrate ist, wobei jede Instabilität einen Dominoeffekt auslöst.

Dies könnte bald ein Problem der Vergangenheit sein, dank jüngster Fortschritte von Google (GOOGL ) und seinem Willow-Chip, die eine abnehmende Fehlerrate bei zunehmender Qubit-Anzahl erreichen.

Das andere Problem ist, dass es wahrscheinlich eine Größenbeschränkung dafür gibt, wie groß ein einzelner Quantencomputer werden kann, ähnlich wie ein Siliziumchip nur bis zu einem gewissen Leistungsgrad gehen kann, bevor Probleme mit Stromversorgung, Überhitzung usw. auftreten.

Auch dieses Problem könnte gelöst werden, dank der Arbeiten von Forschern der University Of Oxford. Sie haben ein verteiltes Quantencomputer‑Netzwerk geschaffen, ähnlich wie Server mit siliziumbasierten Chips funktionieren, und ebnen damit potenziell den Weg für Quanten‑Supercomputer.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Zeitschrift Nature unter dem Titel „Distributed quantum computing across an optical network link“¹.

Verbindung von Quantencomputern

Derzeit arbeiten Quantencomputer als isolierte Einheiten, die einige hundert oder vielleicht tausend Qubits enthalten, bei den fortschrittlichsten Modellen.

Das Problem ist, dass das Vergrößern extrem komplex ist, da je größer das System, desto mehr Instabilität und Störungen aus der Umgebung die quantenmechanischen Effekte, von denen der Computer abhängt, beeinträchtigen können.

Gleichzeitig wird nützliche Berechnung wahrscheinlich Millionen von Qubits erfordern, was die Branche in eine mögliche Sackgasse führen könnte. Zumindest solange Quantencomputer nicht miteinander verbunden werden können.

Und das ist leichter gesagt als getan, weil Quantencomputer sich stark von Siliziumchips unterscheiden. In herkömmlichen Computern ist das 0 & 1 ein elektrisches Signal, das relativ einfach an eine andere Maschine übertragen werden kann.

Bei Quantencomputern muss jedoch der eigentliche Quantenzustand der Qubits kommuniziert werden. Diese Quantenzustände sind nur unter sehr spezifischen Bedingungen stabil zu halten, meist bei ultraniedrigen Temperaturen, nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Ausnutzung der Quanten‑Teleportation

Früheres Experiment zur Quanten‑Teleportation

Im Januar 2025 berichteten wir über den ersten Hinweis, dass Quanten‑Teleportation in optischen Fasern möglich sein könnte. Es erschien, dass es sogar in gewöhnlichen optischen Fasernetzwerken neben „normalen“ Datenströmen übertragen werden könnte.

Obwohl es wie ein fantasievolles Konzept aus einem Science‑Fiction‑Film klingt, ist Quanten‑Teleportation tatsächlich ein reales Phänomen, das seit Jahrzehnten untersucht wird.

Dies geschieht, wenn zwei verschiedene Teilchen „gepaart/verbunden“ werden, ein Vorgang, der als Quantenverschränkung bezeichnet wird.

In diesem Fall, wenn zwei Teilchen verbunden sind, tauschen sie Informationen über große Entfernungen aus – ohne sie physisch zu transportieren. In einigen Fällen könnte sogar möglich sein, dass der Informationsaustausch schneller als das Licht erfolgt, was theoretisch unmöglich ist.

Dies war ein sehr wichtiger erster Schritt, da er zeigte, dass wir keine neue Technologie benötigen, da Kabel die Quanten‑Teleportation zwischen Quantencomputern durchführen können.

Aber es war noch keine direkte Verbindung zwischen zwei Quantencomputern.

Verbinden von Qubits

Dies ist der von den Oxford‑Forschern erreichte Schritt. Sie nutzten optische Fasern, um Qubits zu verbinden und sie zu verschränken, wobei sie Photonen (Lichtteilchen) einsetzten.

Quelle: Nature

Im Laborexperiment waren die Module etwa 2 Meter voneinander getrennt, jedes enthielt eigene Netzwerke und Schalt‑Qubits. Aber auch größere Entfernungen könnten erreicht werden.

Durch sorgfältiges Anpassen dieser Interaktionen können wir logische Quanten‑Gatter – die grundlegenden Operationen des Quantencomputings – zwischen Qubits in separaten Quantencomputern ausführen.

Dieser Durchbruch ermöglicht es uns, verschiedene Quantenprozessoren effektiv zu „verkabeln“, sodass sie zu einem einzigen, vollständig verbundenen Quantencomputer werden.

Dougal Main – Graduate Student at Ion trap quantum computing research group at Oxford

Quelle: Nature

Der verwendete Quantencomputertyp war ein Trapped‑Ion‑Modul. Trapped‑Ion‑Quantencomputer enthalten im Allgemeinen deutlich weniger Qubits, dafür jedoch mit viel höherer Zuverlässigkeit und Effizienz; bei gleicher Qubit‑Anzahl erzielen sie 100‑ bis 1.000‑mal zuverlässigere Ergebnisse als andere Quantencomputing‑Methoden.

Quelle: Quantinuum

Hohe Effizienz

Die Verschränkung zwischen den vernetzten Qubits erreichte eine Treue von 86 %.

Bei der Ausführung von Grovers Suchalgorithmus, einem nützlichen Benchmark, bei dem Quantencomputer normale Computer radikal übertreffen, lag die Erfolgsrate bei 71 %.

Grovers Suchalgorithmus sucht nach einem bestimmten Element in einem großen, unstrukturierten Datensatz viel schneller als ein herkömmlicher Computer, indem er die quantenmechanischen Phänomene Superposition und Verschränkung nutzt, um viele Möglichkeiten parallel zu untersuchen.

Das ist bemerkenswert hoch, insbesondere wenn man bedenkt, dass es sich um eine erstmalige Leistung handelte, bevor irgendeine Optimierung oder Verbesserung der Methode vorgenommen wurde.

Auswirkungen dieser Entdeckung

Quanten‑Supercomputer?

Dies eröffnet einen völlig anderen Ansatz zum Bau von Quantencomputern, der dem Aufbau von Supercomputern aus separaten Subsystemen nachempfunden ist, die ihre Berechnungen miteinander austauschen.

Ein solches System wäre zudem bemerkenswert modular, anstatt eines immer komplexeren, massiven, zentralisierten Quantencomputers.

Durch die Vernetzung der Module mittels photonischer Verbindungen gewinnt das System an wertvoller Flexibilität, sodass Module aufgerüstet oder ausgetauscht werden können, ohne die gesamte Architektur zu stören.

Dougal Main – Graduate Student at Ion trap quantum computing research group at Oxford

Quelle: Nature

Wiederaufleben der Trapped‑Ion‑Technologie

Bisher war die Trapped‑Ion‑Technologie die zuverlässigere und der praktischen Anwendung am nächsten stehende, jedoch durch die Schwierigkeit, einem System weitere Qubits hinzuzufügen, begrenzt. Aus diesem Grund wurde erwartet, dass andere Systeme mit supraleitenden Qubits die endgültige Form des Quantencomputers darstellen würden.

Wenn die Trapped‑Ion‑Technologie dieses Limit durch verbesserte Vernetzung überwinden kann, könnte das nicht mehr zutreffen. Das würde die Unternehmen, die sich auf dieses Feld spezialisiert haben, für Investoren deutlich attraktiver machen.

Trapped‑Ion‑Quantencomputing‑Unternehmen

IonQ

IonQ ist ein Quantencomputing‑Unternehmen, das Trapped‑Ion‑Technologie verwendet und von Pionierwissenschaftlern aus dem Bereich der University of Maryland und der Duke University gegründet wurde. Es wurde 2021 an der NYSE notiert.

IonQ‑Quantencomputing‑Plattformen können Ergebnisse mit einer Treue von 99,9 % erzeugen. Derzeit verwendet es eine Kette aus 64 Barium‑Ionen, die einen 36‑algorithmischen Qubit (AQ) erzeugt. Die Kettenorganisation ermöglicht ein deutlich schnelleres Rechnen als andere Trapped‑Ion‑Designs, ohne die Treue zu verlieren.

Quelle: IonQ

IonQ erwarb Qubitekk im Januar 2025, wodurch das Unternehmen das Team und 118 Patente von Qubitekk zu IonQ hinzufügte. Die Spezialität von Qubitekk liegt in Quanten­netzwerken, die photonische Verbindungen nutzen, Quantencluster ermöglichen und die Fähigkeiten des Quanten‑Internets vorantreiben.

Quanten­netzwerke sollten hochsichere Kommunikation ermöglichen und letztlich verteiltes Quantencomputing erlauben. Angesichts der schnellen Entwicklung des Feldes könnte Fachwissen und geistiges Eigentum zu diesem Thema für die Zukunft von IonQ entscheidend sein.

IonQ entwickelt zudem eine Partnerschaft mit NKT Photonics (NKT.CO) zur Entwicklung zukünftiger, für Rechenzentren geeigneter Quantencomputer.

Es arbeitet außerdem mit Imec zusammen an photonischen integrierten Schaltkreisen und ionen‑trap‑Technologie im Chip‑Maßstab, um die Qubit‑Anzahl sowie Systemgröße und Kosten des Unternehmens zu skalieren.

Anstatt ein eigenes SDK (Software Development Kit) zu entwickeln, unterstützt das Unternehmen gleichzeitig alle wichtigen und arbeitet mit vielen führenden Firmen zusammen, um neue Quantencomputing‑Anwendungen zu entwickeln.

Quelle: IonQ

IonQ ist für Investoren, die an den Hauptaktivitäten anderer Marktführer wie Google, Intel (INTC ), IBM oder Honeywell nicht interessiert sind, die am nächsten an einer reinen Quantencomputing‑Aktie.

Zusammen mit seinem Konkurrenten Quantinuum, einem Teil von Honeywell (HON ), ist IonQ näher daran, kommerzielle Quantencomputer zu entwickeln, wobei der Fokus auf hochtreuen, geringeren Qubit‑Anzahlen in Trapped‑Ion‑Systemen liegt.

Sein früher Erfolg hat ihm geholfen, ein starkes Netzwerk von Partnerschaften mit anderen Quantencomputing‑Innovatoren aufzubauen, um diese Technologie voranzutreiben, mit einem jüngsten Fokus auf vernetzte Quantencomputer.

Studienreferenz:

^{1. Main, D., Drmota, P., Nadlinger, D.P., et al.(2025) Verteiltes Quantencomputing über eine optische Netzwerkverbindung. Nature 638, 383–388. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08404-x}