Caltech Skaliert Neutral-Atom-Qubits auf 6.100 mit Pinzetten

Es ist etwa vier Jahrzehnte her, seit optische Pinzetten entwickelt wurden, und sie revolutionieren Physik, Biologie und Medizin bis heute.

Optische Pinzetten sind ein bemerkenswertes Werkzeug, das mikroskopische Objekte wie Zellen, Atome, Moleküle und Tropfen ohne Berührung aufnehmen und bewegen kann.

Diese Werkzeuge verwenden fokussierte Laser, um Objekte zu manipulieren. Durch die Verwendung eines hochfokussierten Lichtstrahls sind sie in der Lage, mikroskopische und submikroskopische Teilchen in drei Dimensionen stabil zu halten.

Der Strahl wird von einem hochwertigen Mikroskop in einen Punkt fokussiert, der eine “optische Falle” bildet, die ein Teilchen hält. Dieses Teilchen erfährt Kräfte, die aus gestreutem Licht und Gradientenkräften durch seine Wechselwirkung mit dem Licht bestehen.

Entwickelt vom amerikanischen Physiker Arthur Ashkin im Jahr 1986, der dafür 2018 den Nobelpreis für Physik erhielt, ermöglichen optische Pinzetten es Wissenschaftlern, einzelne Bakterien, eine Samenzelle, DNA-Stränge, die Wechselwirkung einzelner Teilchen mit Licht und vieles mehr zu untersuchen.

Heute bilden diese wissenschaftlichen Instrumente die Grundlage für viele führende Experimente in Simulation und Quantencomputing.

So haben Wissenschaftler vom Department of Experimental Physics und dem Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) kürzlich einzelne Erbium-Atome ¹in optischen Pinzettensonden für das erste Mal gefangen, die Verwendung dieser Werkzeuge erweitert, um komplexere Quantenexperimente durchzuführen.

Diese Arten von Experimenten, die Tausende von atomaren Qubits umfassen, haben kürzlich Arrays von etwa tausend Atomen erreicht.

Die Skalierung auf Tausende von atomaren Qubits mit geringen Verlusten, langen Kohärenzzeiten und hoher Bildfidelität, was für den Fortschritt in der Quantenfehlerkorrektur kritisch ist, ist jedoch eine große Herausforderung.
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Allerdings wurde dies nun experimentell von Forschern der Caltech nachgewiesen. Sie haben erfolgreich 6.100 neutrale Atome in etwa 12.000 Standorten mit einem Array von optischen Pinzetten gefangen. Gleichzeitig übertrafen sie die “State-of-the-Art”-Leistung für mehrere Metriken, die den Erfolg der Plattform untermauern”, so das Team.

Die Forscher demonstrierten eine Kohärenzzeit von 12,6(1) Sekunden, was ein Rekord für Hyperfein-Qubits in einem optischen Pinzettensonden-Array ist. Sie erzielten eine Rekordhohe Überlebensrate der Bildgebung von 99,98952(1)% mit einer Bildfidelität von über 99,99%.

Laut dem Team deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass universelles Quantencomputing bald Wirklichkeit werden könnte.

Warum Fehlerkorrektur den Fahrplan für Quantencomputing dominiert

Quantencomputing hat das Interesse von Forschern und Unternehmen weltweit erwachen lassen.

Laut Analysten von BofA wird der Quantencomputing-Markt voraussichtlich bis zum Beginn des nächsten Jahrzehnts einen Wert von etwa 4 Milliarden Dollar erreichen.

Das “Versprechen von Quantencomputing ist real”, sagten die Analysten in einer Notiz an die Kunden, und fügten hinzu, dass es noch einige Hindernisse für das Wachstum der Technologie gibt, und sobald diese überwunden sind, “erwarten wir eine viel bedeutendere Wende bei den Umsätzen”.

Befürworter von Quantencomputing betonen sein Potenzial, Finanzen, Gesundheitswesen, Logistik, Cybersicherheit, Materialwissenschaft und künstliche Intelligenz zu revolutionieren.

Gerade diese Woche gab die HSBC Holdings bekannt, dass sie einen weltweiten Durchbruch bei der Verwendung von Quantencomputing in den Finanzmärkten erzielt hat. Die in London ansässige Bank nutzte IBMs Heron-Quantenprozessor im Anleihenhandel, was eine 34%ige Verbesserung bei der Vorhersage der Wahrscheinlichkeit, dass eine Anleihe zu einem bestimmten Preis gehandelt wird, ergab.

Quantenverarbeitung wurde auf einen anonymisierten Satz von europäischen Anleihenhandelsdaten angewendet, wo sie die Fähigkeit zeigte, die Effizienz des Marktes erheblich zu verbessern.

Praktische Anwendungen von Quantentechnologie in anderen Branchen sind noch nicht fest etabliert, obwohl Kritiker argumentieren, dass nicht nur die Quantencomputer-Revolution weit entfernt ist, sondern auch begrenzt.

So veröffentlichte Google vor kurzem einen neuen Chip namens Willow, den sie als einen bedeutenden Durchbruch im Bereich des Quantencomputings bezeichnete, aber auch feststellte, dass der Benchmark, der zur Messung seiner Leistung verwendet wird, “keine bekannten realen Anwendungen” hat.²

Trotzdem schätzt McKinsey, dass der Wert des Quantentechnologiemarktes innerhalb eines Jahrzehnts auf bis zu 100 Milliarden Dollar ansteigen kann.

Diese Zahlen basieren auf der Erwartung, dass bestimmte Probleme nicht von klassischen Computern gelöst werden können, aber leicht von Quantencomputern gehandhabt werden können, um uns zu helfen, andere Quantensysteme zu verstehen und zu manipulieren.

Allerdings steht das Quantencomputing derzeit vor erheblichen Herausforderungen in Bezug auf Dekohärenz, die Qubits zerbrechlich und fehleranfällig macht. Dies macht die teure Fehlerkorrektur kritisch für zuverlässiges Quantencomputing.

Qubits oder Quantenbits sind äquivalent zu Bits in klassischen Computern. Aber während klassische Bits immer entweder eins oder null sind, können Quantenbits beides gleichzeitig sein, bis ihr Zustand gemessen wird, und die Zustände mehrerer Qubits können auch verflochten sein.

Diese beiden Phänomene, Superposition (die Fähigkeit eines Qubits, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren) und Verschränkung (die Fähigkeit von Qubits, verknüpft zu sein und denselben Zustand unabhängig von der Entfernung zu teilen), verleihen Quantencomputern Fähigkeiten, die klassische Computer nicht haben.

Beides sind jedoch sehr zerbrechliche Zustände, die leicht durch die geringste Wechselwirkung mit der Umgebung zerstört werden können.

Von elektromagnetischer Interferenz bis hin zu Temperaturänderungen können Umweltfaktoren diese Eigenschaften zusammenbrechen lassen, was zu ungenauen Ergebnissen führt. Daher ist diese Zerbrechlichkeit eines der größten Hindernisse für skalierbares und leistungsfähiges Quantencomputing, und daher wird in diesem Bereich viel Forschung auf die Quantenfehlerkorrektur (QEC) konzentriert.

Eine Möglichkeit, wie Forscher die Zerbrechlichkeit von Qubits ausgleichen und Fehler korrigieren, besteht darin, Quantencomputer mit zusätzlichen, redundanten Qubits zu bauen. Dies bedeutet, dass ein robuster Quantencomputer Hunderttausende von Qubits haben wird.

Caltechs rekordbrechendes Neutral-Atom-Array balanciert Menge und Qualität

Um einen Quantencomputer mit vielen Qubits zu bauen, um Fehler zu korrigieren, hat ein Team von Forschern der Caltech einen Rekord aufgestellt, indem sie das größte Qubit-Array erstellten, das jemals zusammengestellt wurde.

Insgesamt wurden 6.100 neutral-atomare Qubits in einem Gitter mit Lasern eingeschlossen. Zuvor enthielt diese Art von Array nur hunderte von Qubits.

Veröffentlicht in Nature, wird die Studie mit dem Titel “Ein Pinzettensonden-Array mit 6100 hochkohärenten atomaren Qubits³” den Meilenstein detailliert, der neutral-atomare Atome nutzte.

Neutral-Atome sind Atome ohne Nettoelektrische Ladung. Daher ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen.

Indem Forscher ihre internen Energieniveaus ausnutzen, können sie neutral-atomare Atome als Qubits verwenden. Energieniveaus können kontrolliert und manipuliert werden, um bestimmte Operationen mit Lasern und magnetischen Feldern durchzuführen.

Da sie neutral sind, interagieren die Atome nicht stark miteinander, was es ermöglicht, große Arrays von Atomen zu fangen und den Bau von großskaligen Quantenprozessoren zu ermöglichen. Darüber hinaus zeigen neutral-atomare Atome lange Kohärenzzeiten, was sie für die Quantenberechnung vorteilhaft macht.

Allerdings gibt es Herausforderungen in Bezug auf die Notwendigkeit einer präzisen Kontrolle über das Fangen, Kühlen und Manipulieren.

“Dies ist ein aufregendes Moment für neutral-atomares Quantencomputing. Wir können jetzt einen Weg zu großen fehlerkorrigierten Quantencomputern sehen. Die Bausteine sind vorhanden.”

– Hauptuntersuchungsleiter der Studie, Manuel Endres und Professor für Physik an der Caltech

Unter der Leitung von Caltech-Graduiertenstudierenden Hannah Manetsch, Gyohei Nomura und Elie Bataille wurde die Studie durchgeführt, die optische Pinzetten verwendete, um Tausende von einzelnen Cäsium- (Cs-) Atomen in einem Gitter zu fangen.

Um das Atom-Array aufzubauen, teilten sie einen Laserstrahl in 12.000 Pinzetten, die insgesamt 6.100 Atome in einer Vakuumkammer hielten. “Auf dem Bildschirm können wir tatsächlich jedes Qubit als winzigen Lichtpunkt sehen”, sagte Manetsch. “Es ist ein beeindruckendes Bild von Quanten-Hardware im großen Maßstab.”

Während das Team einen neuen Rekord in der Größe aufstellte, kam diese Menge nicht auf Kosten der Qualität, da sie auch lange Kohärenzzeiten erzielten.

Das Team konnte diese Qubits für etwa 13 Sekunden in Superposition halten, was etwa zehnmal länger ist als das, was ähnliche Arrays zuvor erreicht haben. Darüber hinaus konnten sie einzelne Qubits mit einer Genauigkeit von bis zu 99,98% manipulieren.

Laut Nomura:

“Großskalig, mit mehr Atomen, wird oft angenommen, dass dies auf Kosten der Genauigkeit geht, aber unsere Ergebnisse zeigen, dass wir beides tun können. Qubits sind ohne Qualität nicht nützlich. Jetzt haben wir Menge und Qualität.”

Darüber hinaus zeigte das Team, dass es die Atome über Hunderte von Mikrometern (μm) über das Array bewegen kann, während es gleichzeitig die Superposition aufrechterhält. Stellen Sie sich vor, ein Glas Wasser zu balancieren, während Sie rennen.

“Versuchen, ein Atom zu halten, während Sie es bewegen, ist wie versuchen, nicht zu lassen, dass das Glas Wasser umkippt. Versuchen, das Atom auch in einem Zustand der Superposition zu halten, ist wie vorsichtig sein, nicht so schnell zu rennen, dass das Wasser überschwappt.”

– Manetsch

Diese Fähigkeit ist eine Schlüsseleigenschaft von neutral-atomaren Quantencomputern, da sie eine effizientere Fehlerkorrektur im Vergleich zu supraleitenden Qubits ermöglicht.

Die Forschung zeigt, dass neutral-atomare Atome ein starker Kandidat für die Implementierung von Quantenfehlerkorrektur im Maßstab von Tausenden von physischen Qubits sind, was die nächste große Errungenschaft in diesem Bereich ist.

“Quantencomputer müssen Informationen auf eine fehlerfreie Weise codieren, damit wir tatsächlich wertvolle Berechnungen durchführen können. Im Gegensatz zu klassischen Computern können Qubits nicht einfach kopiert werden, da das sogenannte No-Cloning-Theorem gilt, also muss die Fehlerkorrektur auf subtilere Strategien zurückgreifen.”

– Bataille

Mit dem erreichten Superpositionszustand, der eine entscheidende Rolle bei der Informationsverarbeitung und -speicherung spielt, wird das Team nun an der Verschränkung arbeiten, wobei sie die Qubits in ihrem Array verbinden, um Teilchen zu ermöglichen, sich wie eines zu verhalten.

Durch die Erreichung des Zustands der Verschränkung können Quantencomputer vollständige Quantenberechnungen durchführen und simulieren. Indem Forscher die Verschränkung nutzen, können sie auch neue wissenschaftliche Entdeckungen machen.

“Es ist aufregend, dass wir Maschinen erstellen, um uns zu helfen, das Universum auf Weise zu verstehen, die nur die Quantenmechanik uns beibringen kann.”

– Manetsch

Neue fehlerunterdrückende Architekturen und Hyper-Entanglement-Ergebnisse

Endres und sein Team arbeiten seit langem an der Quantencomputing-Forschung. Er spezialisiert sich auf die Kontrolle einzelner Atome mit optischen Pinzetten, um grundlegende Eigenschaften von Quantensystemen zu untersuchen.

Neben dem rekordbrechenden Quantensystem, das die Kontrolle über mehr als 6.000 einzelne Atome ermöglicht, haben die Experimente seines Teams zu neuen Techniken zur Fehlerlöschung in Quantenmaschinen und einem neuen Gerät geführt, das die präzisesten Uhren der Welt liefern kann.

Im Mai dieses Jahres veröffentlichten sie eine Studie, die das Problem der Atome bewegung, die es schwierig macht, das System zu kontrollieren, in Angriff nimmt. Was sie getan haben, ist, dass sie das Problem selbst verwendet haben, um Quanteninformation zu codieren.

“Wir zeigen, dass die atomare Bewegung, die normalerweise als Quelle von unerwünschtem Rauschen in Quantensystemen behandelt wird, in eine Stärke umgewandelt werden kann.”

– Co-Autor der Studie, Adam Shaw

Ihr Experiment codierte Quanteninformation in der Bewegung der Atome und führte zu einem Zustand der Hyper-Entanglement.

Dies bedeutet, dass die individuellen elektronischen Zustände und Bewegungszustände der hyper-entanglement-Atompairs korreliert waren. Ihre Demonstration, die erste von Hyper-Entanglement in massiven Teilchen wie neutralen Atomen oder Ionen, impliziert, dass noch mehr Eigenschaften gleichzeitig entangled werden können.

“Dies ermöglicht es uns, mehr Quanteninformation pro Atom zu codieren”, sagte Endres. “Man erhält mehr Entanglement mit weniger Ressourcen.”

Für ihre Experimente kühlten sie ein Array von einzelnen alkalischen Erd-Atomen, die in optischen Pinzetten gefangen waren, ab und demonstrierten eine neue Form der Kühlung durch “Erkennung und anschließende aktive Korrektur thermischer Bewegungserregungen”.

Das Team misst im Wesentlichen die Bewegung jedes Atoms und wendet dann, je nach Ergebnis, eine Operation atomweise an.

Die Technik verursachte, dass die Atome fast vollständig stillstanden. Die Atome wurden dann induziert, mit einer Amplitude von 100 Nanometern zu oszillieren, was sie in zwei verschiedene Oszillationen zur gleichen Zeit anregte, was die Bewegung in den Superpositionszustand versetzte.

Die einzelnen Atome wurden dann mit Partneratomen verflochten, die weiter hyper-entangled waren, um die Atombewegung und elektronischen Zustände zu korrelieren.

“Im Grunde genommen war das Ziel hier, die Grenzen dessen zu erweitern, wie sehr wir diese Atome kontrollieren können. Wir bauen eine Werkzeugkiste: Wir wussten, wie man die Elektronen innerhalb eines Atoms kontrolliert, und jetzt haben wir gelernt, wie man die äußere Bewegung des Atoms als Ganzes kontrolliert. Es ist wie ein Atom-Spielzeug, das man vollständig beherrscht.”

– Endres

In einer anderen Studie der Caltech hat ein Team von Wissenschaftlern eine neue Quanten-Chip-Architektur ⁵ demonstriert, die zur Fehlerunterdrückung konzipiert ist.

“Für Quantencomputer, um erfolgreich zu sein, müssen die Fehlerquoten etwa eine Milliarde Mal besser sein als heute”, sagte Oskar Painter, Leiter der Quanten-Hardware bei AWS und Professor für Physik an der Caltech. Während die Fehlerquoten sinken, geschieht dies mit einer langsamen Rate, “etwa um einen Faktor von zwei alle zwei Jahre”, also beschleunigen sie diesen Prozess, indem sie eine neue Chip-Architektur entwickeln, obwohl es “ein frühes Bauelement” ist.

Die Forscher verwenden Katzen-Qubits, die erheblich reduzierte Bit-Flip-Fehler aufweisen, wobei nur Phasen-Flip-Fehler übrig bleiben, die korrigiert werden müssen.

Dies bedeutet, dass die Forscher eine Wiederholungscode verwenden können. In ihrem neuen Chip, genannt Ocelot, bedeutet ein klassischer Wiederholungscode, dass keine so vielen Qubits benötigt werden, um Fehler zu korrigieren.

“Wir haben eine skalierbarere Architektur demonstriert, die die Anzahl der zusätzlichen Qubits, die für die Fehlerkorrektur benötigt werden, um bis zu 90 Prozent reduzieren kann.”

– Fernando Brandão, Professor für Theoretische Physik an der Caltech und Direktor für angewandte Wissenschaft bei AWS

Um dies zu erreichen, kombiniert der Ocelot-Chip fünf Katzen-Qubits, spezielle Puffer-Schaltungen, um ihre Oszillation zu stabilisieren, und vier unterstützende Qubits, um Phasenfehler zu erkennen.

Investitionen in Quantentechnologie

Jetzt ist eine der reinsten Quantencomputing-Spiel in den Märkten IonQ (IONQ ), das den gefangenen Ionen-Ansatz nutzt, um die Technologie zur Realität zu machen. Was es wirklich hervorhebt, ist die hohe Fidelität der Tore, die Integration mit großen Cloud-Plattformen, aggressive Übernahmen und ein starkes Patentswachstum, obwohl die Skalierungskosten eine große Herausforderung darstellen.

IonQ (IONQ )

Gegründet vor einem Jahrzehnt auf der Grundlage von Jahren der Forschung an der University of Maryland und der Duke University, entwickelt IonQ gefangene Ionen-Quantencomputer. Das Ziel des Unternehmens ist es, diese Technologie in kommerzielle, industrielle und akademische Anwendungen zu bringen.

Dafür konzentriert sich das Unternehmen auf ionisierte Atome, die es glaubt, seine Computer in die Lage versetzen können, komplexere Berechnungen länger und mit weniger Fehlern durchzuführen.

Erst diesen Monat gab IonQ bekannt, eine Zwei-Qubit-Tor-Fidelität von über 99,9% auf seinen Barium-Entwicklungsplattformen erreicht zu haben, was es näher an sein kommerzielles System, IonQ Tempo, bringt.

Dieser Meilenstein “markiert eine kritische Schwelle für unternehmensreife Systeme”, sagte IonQs Senior-Vizepräsident für Ingenieurwesen und Technologie, Dean Kassmann, und fügte hinzu, dass “die bessere native Tor-Fidelität, desto weniger Fehlerkorrektur in allen Formen ist erforderlich. Eine höhere Fidelität ist auch für schnellere, genauere Quantenanwendungen unerlässlich”.

Die Verwendung von Barium-Ionen als Qubits ist ein Wechsel von Ytterbium-Ionen, mit denen das Unternehmen den größten Teil seiner Geschichte gearbeitet hat. Barium-Ionen wurden aufgrund ihrer erhöhten Tor-Geschwindigkeiten, höheren natürlichen Fidelitätsgrenze, besseren Stabilität, geringeren SPAM-Fehlern und überlegener Gesamtleistung ausgewählt.

IonQ verfügt auch über ein robustes Portfolio von Patenten, das nun über 1.000 überschritten hat, was das Unternehmen in die Lage versetzt, skalierbare, leistungsfähige, kosteneffiziente Systeme zu entwickeln, und beschleunigt seinen Zeitplan für einen unübertroffenen kommerziellen Quantenvorteil.

Stand 29. September 2025 schloss IONQ bei 64,26 $ (Allzeithoch 75,14 $ am 23. September 2025). Das sind etwa 7,4-mal über dem Schlusskurs von 8,74 $ am 30. September 2024. Die Jahresleistung variiert je nach Quellenfenster, ist aber im Allgemeinen um +50-90%. Der Marktwert beträgt etwa 20-22 Milliarden Dollar.

Das Unternehmen hat einen Gewinn pro Aktie (TTM) von -2,02 und einen KGV (TTM) von -33,35.

Was seine Finanzen betrifft, erzielte IonQ im zweiten Quartal, das am 30. Juni 2025 endete, einen Umsatz von 20,7 Millionen Dollar. Der Nettoverlust betrug 177,5 Millionen Dollar. Barmittel, Barmitteläquivalente und Investitionen beliefen sich am Ende des Zeitraums auf 656,8 Millionen Dollar.

Während dieses Quartals stärkte das Unternehmen seine Bilanz durch die größte Eigenkapitalinvestition von einer einzelnen Institution in der Branche. IonQ schloss auch die Übernahme des Quanten-Interconnect-Unternehmens Lightsynq und des Raumfahrttechnologie-Unternehmens Capella ab und schlug die Übernahme von Oxford Ionics für 1,075 Milliarden Dollar vor.

“Die Kombination von IonQ-Hardware- und Software-Expertise und der Implementierung von IonQ-Traps-on-a-Chip durch Oxford bietet dem Team, IP, Technologie und Schwung, um 800 logische Qubits im Jahr 2027 und 80.000 logische Qubits im Jahr 2030 zu erreichen.”

– CEO Niccolo de Masi

Im zweiten Quartal berichtete IonQ, eine bis zu 20-fache Beschleunigung in einem quantenbeschleunigten computergestützten Chemie-Workflow (für die Arzneimittelentwicklung) in Zusammenarbeit mit AstraZeneca, NVIDIA und AWS erzielt zu haben.

Neueste IonQ–(IONQ)-Aktiennachrichten und -Entwicklungen

Schlussfolgerung

Quantentechnologie wird allgemein erwartet, Industrien zu revolutionieren, indem sie komplexe Probleme löst. Das rekordbrechende Experiment an der Caltech zeigt, dass großskaliges, fehlerkorrigiertes Quantencomputing bald Realität werden könnte.

Mit solcher Forschung, neuen Architekturen, Fortschritten bei Materialien und kommerziellen Akteuren, die die Entwicklung beschleunigen, könnte die Quantentechnologie in den kommenden Jahren zu einem universell einsetzbaren Werkzeug werden, das Durchbrüche in Wissenschaft und Gesellschaft ermöglicht.

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Quellen

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optische Pinzettensonden-Arrays von Erbium-Atomen. Physical Review Letters, 133, 223402. Veröffentlicht am 26. November 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402
2. Neven, H. (2024, 9. Dezember). Meet Willow, unseren State-of-the-Art-Quantenchip. Google Research Blog. Abgerufen von https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/
3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E. et al. (2025). Ein Pinzettensonden-Array mit 6100 hochkohärenten atomaren Qubits. Nature. Veröffentlicht am 24. September 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). Ein Pinzettensonden-Array mit 6100 hochkohärenten atomaren Qubits. Nature. (Version of Record), veröffentlicht am 24. September 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4
5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T. et al. (2025). Hardware-efiziente Quantenfehlerkorrektur via verkettete bosonische Qubits. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), veröffentlicht am 26. Februar 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7