Lattice Surgery-Demonstration fördert fehlertolerantes Quantencomputing

Ein Team von Wissenschaftlern, angeführt von Forschern der ETH Zürich, hat kürzlich eine Methode demonstriert, Quantenbits mittels Lattice Surgery zu verschränken. Der Prozess ermöglicht es Ingenieuren, leistungsfähigere Quantencomputer zu bauen, die bereits beeindruckenden Fähigkeiten dieser Geräte zu erweitern und die Tür für zukünftige Anwendungen zu öffnen. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Was Quantencomputer grundlegend anders macht

Quantencomputer werden von vielen als der nächste Schritt in der Evolution der Computer angesehen. Diese Geräte können tausendfach mehr Rechenleistung bieten und eignen sich ideal für komplexe wissenschaftliche Berechnungen und mehr.

Quantencomputer haben sich als deutlich leistungsfähiger als herkömmliche Computer erwiesen. Sie übertreffen traditionelle Geräte, weil sie auf Qubits, Superposition, Verschränkung und Interferenz zur Informationsverarbeitung setzen. Diese Struktur ermöglicht die gleichzeitige Ausführung von Millionen von Berechnungen.

Warum Quanten-Fehlerkorrektur das Kernengpass ist

Beim Speichern von Quantendaten ist es jedoch viel schwieriger als bei traditionellen Bits, die dupliziert und gespeichert werden können. Beim Abrufen können die Duplikate gegengeprüft werden, um sicherzustellen, dass die Daten nicht beschädigt sind.

Quanten-Fehlerkorrektur ist aus mehreren Gründen viel komplizierter. Erstens können Quantenbits nicht auf dieselbe Weise wie traditionelle Bits kopiert werden. Stattdessen beruhen sie auf zwischen Qubits erzeugten verschränkten Zuständen. Dieser fragile Zustand kann leicht zerstört werden.

Bit-Flip- und Phasen-Flip-Fehler

Außerdem müssen Quantencomputer mit Dekohärenz und Phasenverschiebungen umgehen. Quantencomputer sind einzigartig, da Qubits plötzlich und ohne Vorwarnung ihre Phase von positiv zu negativ ändern können. Dieses Problem hat das langfristige Speichern von Quantendaten erschwert.

Wie Ingenieure dieses Problem beheben

Ingenieure haben verschiedene Methoden entwickelt, um diese Quantenverschiebungen zu korrigieren. Eine verbreitete Methode besteht darin, ein logisches Qubit aus mehreren anderen Qubits zu erstellen. Sobald es erstellt ist, wenden Ingenieure kontinuierlich Fehlerkorrektur an, um die Genauigkeit sicherzustellen.

Dieser Prozess erfordert, dass Wissenschaftler den Zustand speziell gebauter Stabilizer ständig messen. Diese Stabilizer ermöglichen es Ingenieuren, Änderungen am Qubit zu überwachen, ohne dessen Wert zu verändern. Sie erledigen dies, indem sie nachvollziehbare Bit- und Phasen‑Auslesungen bereitstellen.

Dieser Vorgang erzeugt Daten‑Qubits. Diese Qubits dienen dazu, den Korrekturzustand zu speichern. Probleme entstehen, weil die meisten Quantencomputer auf zweidimensionale Anordnungen supraleitender Qubits setzen.

Diese Qubits bleiben im Raum fixiert und können nicht bewegt werden, ohne den Quantenzustand zu beschädigen. Stabilizer helfen, die Stabilität zu erhalten. Sie können jedoch nur an benachbarten Qubits arbeiten, was bedeutet, dass sie nur für zweidimensionale Qubit‑Anwendungen geeignet sind und in ihrer Anwendung stark eingeschränkt sind.

Studie zur Lattice Surgery an Quantenbits

Um die Fähigkeiten des Quantencomputings zu verbessern, veröffentlichten Wissenschaftler der ETH Zürich und des Paul‑Scherrer‑Instituts die Studie „Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits“¹ in Nature Physics.

Das Papier stellt eine neue Methodik für Quantenverschränkung und Stabilizer vor. Ihr neuer Ansatz ermöglicht es Quantencomputern, Quantenoperationen zwischen supraleitenden logischen Qubits durchzuführen, während gleichzeitig Echtzeit‑Fehlerkorrektur erfolgt.

Was ist Lattice Surgery im Quantencomputing?

Im Kern dieser neuen Entwicklung steht die Lattice Surgery. Lattice Surgery verbindet topologische Codes über logische Qubits hinweg. Dieser Ansatz unterstützt zweidimensionale Qubit‑Anordnungen zusammen mit fehlertoleranten Gatteroperationen.

Durch den Einsatz von Lattice Surgery konnten die Ingenieure Logikgatter zwischen codierten Qubits anwenden, selbst wenn diese nicht nebeneinander lagen. Diese Strategie vermeidet direkten Qubit‑Kontakt und reduziert Fehler durch Dekohärenz.

Lattice Surgery beruht auf der Verwendung von Patches, das sind Qubits, auf die Stabilizer angewendet werden. Der Prozess verbindet diese Gatter vorübergehend, ermöglicht Paritätsprüfungen und einen größeren Code‑Raum für die Verarbeitung. Bemerkenswerterweise ist diese Arbeit eine der ersten experimentellen Demonstrationen von Lattice Surgery zwischen codierten logischen Qubits unter Verwendung von supraleitender Surface‑Code‑Hardware, wobei während des Vorgangs Echtzeit‑Fehlerkorrektur aufrechterhalten wird.

Wie das Lattice Surgery‑Experiment durchgeführt wurde

Die Ingenieure führten mehrere Tests durch, um sicherzustellen, dass ihre Berechnungen korrekt waren. Zunächst erstellte das Team ein Quanten‑Gerät. Das Logikgatter bestand aus 17 supraleitenden Qubits, die in einer groben quadratischen Anordnung angeordnet waren.

Nachdem sie zwei Qubits verschränkt hatten, konzentrierten sich die Ingenieure auf die Split‑Operationen. Dazu kodierten sie die logischen Qubits mit Bit‑Flip‑Wiederholungen. Sie überwachten dann alle 1,66 µs die Ergebnisse der Stabilizer und führten gleichzeitig Bit‑Flip‑ und Phasen‑Flip‑Korrekturen durch.

Die Methode teilt das Surface‑Code‑Quadrat in zwei Hälften, was das Verfolgen und Testen erleichtert. Die Testergebnisse zeigten deutlich, dass ihre Theorien korrekt waren.

Lattice Surgery an Quantenbits – Testergebnisse

Die Ingenieure stellten fest, dass die Bit‑Flip‑Fehler in Echtzeit korrigiert wurden. Sie verzeichneten eine Verbesserung gegenüber nicht‑kodierten Schaltungen, die dem gleichen Prozess unterzogen wurden, wobei das Ergebnis war, dass die Ingenieure erfolgreich zwei logische Qubits erzeugten, die miteinander verschränkt waren.

Vorteile der Lattice Surgery an Quantenbits

Diese Studie bringt zahlreiche Vorteile für den Markt. Erstens öffnet sie die Tür zu leistungsfähigeren und genaueren Quantencomputern. Die Fähigkeit, Fehlertoleranz und Korrekturen in diese Geräte zu integrieren, wird zukünftige Generationen ermöglichen, mehr Leistung und Stabilität zu bieten.

Lattice Surgery an Quantenbits: Praktische Anwendungen & Zeitplan

Es gibt mehrere Anwendungen für diese Arbeit. Vor allem wird diese Forschung dazu beitragen, den aufstrebenden Quantencomputer‑Sektor zu erweitern und zu verbessern. Sie bietet ein neues Maß an Stabilität für diese Geräte, sodass Ingenieure leistungsfähigere Einheiten schaffen können, die auf noch mehr Qubits für die Ausführung von Operationen setzen.

Zeitplan für Lattice Surgery an Quantenbits

Laut Ingenieuren gibt es noch viel zu tun, bevor diese Technologie bereit ist und auf heutigen fortschrittlichen Quantengeräten eingesetzt werden kann. Man kann jedoch erwarten, dass diese Technologie in den nächsten 7–10 Jahren im Sektor Anwendung findet, parallel zu einer stärkeren Verbreitung von Quantencomputern.

Forscher der Lattice Surgery an Quantenbits

Forscher mehrerer namhafter Institutionen haben an dieser Studie teilgenommen. Konkret leitete D‑PHYS‑Professor Andreas Wallraff das Forschungspapier, während Professor Markus Müller von der RWTH Aachen und das Forschungszentrum Jülich die Arbeit mitverfassten.

Im Papier werden außerdem Ilya Besedin, Michael Kerschbaum, Jonathan Knoll, Ian Hesner, Lukas Bödeker, Luis Colmenarez, Luca Hofele, Nathan Lacroix, Christoph Hellings, François Swiadek, Alexander Flasby, Mohsen Bahrami Panah und Dante Colao Zanuz als Mitwirkende genannt.

Zukunft der Lattice Surgery an Quantenbits

Die Zukunft dieser Technologie sieht vielversprechend aus. Das Ziel ist, sie mit anderen jüngsten Durchbrüchen zu integrieren, um Ingenieuren zu helfen, ihr übergeordnetes Ziel zu erreichen, nützliche Quantencomputer zu bauen, die auf Tausende statt Dutzende von Qubits setzen.

Investitionen in Quanteninnovation

Der Quantencomputing‑Sektor wird von mehreren Forschungsunternehmen dominiert, die Millionen in die Technologie investiert haben. Diese Gruppen setzen ihre Arbeit an dieser Technologie mit einem innovativen Geist fort und helfen, zuvor als unmöglich geltende Ansätze zu entdecken. Hier ist ein Unternehmen, das zukünftige Entwicklungen und die Akzeptanz gefördert hat.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) wurde 2013 von Chad Rigetti mit dem konkreten Ziel gegründet, die leistungsstärksten Quantencomputer der Welt mithilfe supraleitender Qubit‑Technologie zu bauen. Im Gegensatz zu IonQ, das gefangene Ionen verwendet, liegt Rigettis Fokus auf supraleitenden Schaltkreisen, was besser mit der ETH‑Zürich‑Forschung zur Lattice Surgery an supraleitenden logischen Qubits übereinstimmt.

2018 demonstrierte Rigetti einen 128‑Qubit‑Chip, und das Unternehmen hat seitdem die Entwicklung von „Full‑Stack“-Quantencomputing vorangetrieben. Dazu gehört die Fab‑1‑Einrichtung, die weltweit erste dedizierte Quanten‑Foundry, in der sie ihre eigenen Quantenprozessoren entwerfen und herstellen.

Rigetti hat bedeutende Fortschritte im hybriden Quanten‑klassischen Computing erzielt. Seine Quantum Cloud Services (QCS)‑Plattform integriert Quantenprozessoren mit Hochleistungs‑klassischer Infrastruktur, was für die in der aktuellen Forschung diskutierte Echtzeit‑Fehlerkorrektur notwendig ist. 2021 ging Rigetti über eine Fusion mit Supernova Partners Acquisition Company II an die Börse und notiert an der NASDAQ.

Heute entwickelt Rigetti aktiv seine Ankaa‑Klassen‑Systeme, die ein quadratisches Gitter aus einstellbaren Kopplern nutzen. Diese Architektur ist speziell dafür ausgelegt, die Art von fehlertoleranten Operationen und logischer Qubit‑Kodierung zu unterstützen, die in der neuesten ETH‑Zürich‑Studie demonstriert wurde.

Neueste Nachrichten und Performance von Rigetti Computing (RGTI)

Lattice Surgery an Quantenbits | Fazit

Quantencomputer versprechen unvergleichliche Rechenleistung, doch ihre Fragilität hat sie für die meisten Menschen zu teuer gemacht, um sie zu nutzen oder zu besitzen. Diese neueste Arbeit wird dazu beitragen, diese Geräte zu stabilisieren und die Welt einen Schritt näher an eine erschwingliche und zuverlässige Option zu bringen. Aus diesem Grund und aus weiteren Gründen verdienen diese Ingenieure einen stehenden Applaus.

Erfahren Sie mehr über andere Durchbrüche im Quantencomputing hier.

Referenzen

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M., & Wallraff, A. (2026). Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}