Caltech skaliert neutrale Atom‑Qubits auf 6,100 mit Tweezern

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

Optische Tweezers sind ein bemerkenswertes Werkzeug, das mikroskopische Objekte wie Zellen, Atome, Moleküle und Tröpfchen aufnehmen und bewegen kann, ohne sie zu berühren.

Diese Werkzeuge nutzen fokussierte Laser, um Objekte zu manipulieren. Durch die Verwendung eines stark fokussierten Lichtstrahls können sie mikroskopische und submikroskopische Teilchen stabil in drei Dimensionen halten.

Der Strahl wird von einem hochwertigen Mikroskop zu einem Punkt fokussiert, wodurch ein „optischer Fang“ entsteht, der ein Teilchen hält. Dieses Teilchen erfährt Kräfte, die aus Streulicht und Gradientenkräften aufgrund seiner Wechselwirkung mit dem Licht bestehen.

Entwickelt vom amerikanischen Physiker Arthur Ashkin im Jahr 1986, der dafür 2018 den Nobelpreis für Physik erhielt, ermöglichen optische Tweezers Wissenschaftlern das Studium einzelner Bakterien, einer Samenzelle, DNA-Strängen, der Wechselwirkung einzelner Teilchen mit Licht und vieles mehr.

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

Zum Beispiel haben Wissenschaftler der Abteilung für Experimentalphysik und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) kürzlich einzelne Erbatome in optischen Tweezers‑Arrays gefangen, was die Nutzung dieser Werkzeuge über einfache Systeme hinaus zu komplexeren Quantenexperimenten erweitert.

Diese Art von Experimenten, die dutzende bis hunderte atomare Qubits fangen, haben kürzlich Arrays von etwa tausend Atomen erreicht.

Die Skalierung auf tausende atomare Qubits mit geringem Verlust, langen Kohärenzzeiten und hochpräziser Bildgebung, was für Fortschritte bei der Quantenfehlerkorrektur entscheidend ist, war jedoch eine große Herausforderung.

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Dies wurde jedoch nun experimentell von Caltech‑Forscherinnen und -Forschern demonstriert. Sie haben erfolgreich 6,100 neutrale Atome in etwa 12.000 Stellen mit einem Array optischer Tweezers gefangen. Gleichzeitig übertrafen sie die „State‑of‑the‑Art‑Leistung für mehrere Kennzahlen, die den Erfolg der Plattform untermauern“, bemerkte das Team.

Die Forschenden zeigten eine Kohärenzzeit von 12,6(1) Sekunden, was ein Rekord für Hyperfein‑Qubits in einem optischen Tweezers‑Array ist. Bei einer Dauer von etwa 23 Minuten erreichten sie eine rekordhohe Bildüberlebensrate von 99,98952(1) % bei einer Bildgebungsgenauigkeit von über 99,99 %.

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

Warum Fehlerkorrektur den Fahrplan des Quantencomputings dominiert

Quantencomputing hat das Interesse von Forschern und Unternehmen weltweit geweckt.

Laut Analysten von BofA wird erwartet, dass der Markt für Quantencomputing bis zum Beginn des nächsten Jahrzehnts einen Wert von etwa 4 Milliarden US‑Dollar erreicht.

„Das Versprechen des Quantencomputings ist real“, sagten die Analysten in einer Notiz an Kunden und fügte hinzu, dass es noch mehrere Hindernisse für das Wachstum der Technologie gebe, und sobald diese überwunden sind, „erwarten wir eine deutlich bedeutendere Wendung der Einnahmen“.

Befürworter des Quantencomputings betonen sein Potenzial, Finanzwesen, Gesundheitswesen, Logistik, Cybersicherheit, Materialwissenschaft und Künstliche Intelligenz zu transformieren.

Erst diese Woche erklärte HSBC Holdings, dass es einen weltweit ersten Durchbruch bei der Nutzung von Quantencomputing in den Finanzmärkten erzielt habe. Die in London ansässige Bank nutzte IBMs Heron‑Quantenprozessor im Anleihehandel, was zu einer 34 %igen Verbesserung bei der Vorhersage der Wahrscheinlichkeit führte, dass eine Anleihe zu einem bestimmten Preis gehandelt wird.

Quantenverarbeitung wurde auf einen anonymisierten Datensatz europäischer Anleihehandelsdaten angewendet, wobei sie die Fähigkeit zeigte, die Markteffizienz erheblich zu steigern.

Praktische Anwendungen der Quantentechnologie in anderen Sektoren sind jedoch noch nicht fest etabliert, wobei Kritiker argumentieren, dass die Quantencomputer‑Revolution nicht nur noch fern, sondern auch begrenzt sei.

Zum Beispiel veröffentlichte Google Ende letzten Jahres einen neuen Chip namens Willow, von dem es sagte, er markiere einen bedeutenden Durchbruch im Bereich des Quantencomputings, stellte jedoch fest, dass der zur Messung seiner Leistung verwendete Benchmark „keine bekannten realen Anwendungen“ habe.

Dennoch schätzt McKinsey, dass der Wert des Marktes für Quantentechnologie innerhalb eines Jahrzehnts bis zu 100 Milliarden US‑Dollar erreichen kann.

Diese Zahlen basieren auf der Annahme, dass bestimmte Probleme nicht von klassischen Computern gelöst werden können, aber von Quantencomputern leicht bewältigt werden können, was uns hilft, andere Quantensysteme zu verstehen und zu manipulieren.

Allerdings steht das Quantencomputing derzeit vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich der Dekohärenz, die Qubits zerbrechlich und fehleranfällig macht. Dies wiederum macht die kostspielige Fehlertoleranz für zuverlässiges Quantencomputing entscheidend.

Qubits oder Quantenbits entsprechen den Bits in klassischen Computern. Während klassische Bits stets entweder eins oder null sind, können Quantenbits gleichzeitig beide Zustände einnehmen, bis ihr Zustand gemessen wird, und die Zustände mehrerer Qubits können zudem verschränkt 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 besitzen.

Beide sind jedoch äußerst zerbrechliche Zustände, die durch die geringste Interaktion mit der Umgebung leicht zerstört werden können.

Von elektromagnetischen Störungen bis zu Temperaturänderungen können Umgebungsfaktoren diese Eigenschaften zum Kollabieren bringen, was zu ungenauen Ergebnissen führt. Daher ist diese Zerbrechlichkeit eines der größten Hindernisse für skalierbares und leistungsstarkes Quantencomputing, und folglich konzentriert sich ein Großteil der Forschung im Feld auf die Quantenfehlerkorrektur (QEC).

Eine der Methoden, mit denen Forscher die Zerbrechlichkeit von Qubits ausgleichen und Fehler korrigieren, besteht darin, Quantencomputer mit zusätzlichen, redundanten Qubits zu bauen. Das bedeutet, ein robustes Quantencomputer wird Hunderte von Tausenden Qubits besitzen.

Caltechs rekordbrechendes Neutral‑Atom‑Array balanciert Menge & Qualität

Auf dem Weg zum Bau eines Quantencomputers mit vielen Qubits zur Korrektur von Fehlern hat ein Forscherteam von Caltech einen Rekord aufgestellt, indem es das größte zusammengebaute Qubit‑Array geschaffen hat.

Insgesamt wurden 6.100 neutrale Atom‑Qubits mithilfe von Lasern in einem Gitter eingeschlossen. Zuvor enthielt diese Art von Array nur Hunderte von Qubits.

Veröffentlicht in Nature beschreibt die Studie mit dem Titel Ein Tweezers‑Array mit 6100 hochkohärenten atomaren Qubits den Meilenstein, der neutrale Atome nutzte.

Neutrale Atome sind Atome ohne Nettoladung. Daher ist die Anzahl der Protonen gleich der der Elektronen.

Durch Ausnutzen ihrer inneren Energieniveaus können Forscher neutrale Atome als Qubits verwenden. Energieniveaus können mit Lasern und Magnetfeldern kontrolliert und manipuliert werden, um spezifische Operationen durchzuführen.

Da sie neutral sind, interagieren die Atome nicht stark miteinander, was das Einfangen großer Atomarrays ermöglicht und den Bau großskaliger Quantenprozessoren erlaubt. Zudem zeigen neutrale Atome lange Kohärenzzeiten, ein weiterer Faktor, der sie für Quantenberechnungen vorteilhaft macht.

Aber natürlich gibt es Herausforderungen hinsichtlich der Notwendigkeit präziser Kontrolle über das Einfangen, Kühlen und Manipulieren.

„Dies ist ein aufregender Moment für das Quantencomputing mit neutralen Atomen. Wir können jetzt einen Weg zu großen fehlerkorrigierten Quantencomputern sehen. Die Bausteine sind vorhanden.“

– Hauptforscher der Studie, Manuel Endres & Professor für Physik an der Caltech

Unter der Leitung der Caltech‑Promovierenden Hannah Manetsch, Gyohei Nomura und Elie Bataille nutzte die Studie optische Tweezers, um Tausende einzelner Cäsium‑(Cs‑)Atome in einem Gitter zu fangen.

Um das Atom‑Array zu bauen, teilten sie einen Laserstrahl in 12.000 Tweezers, die insgesamt 6.100 Atome in einer Vakuumkammer hielten. „Auf dem Bildschirm können wir tatsächlich jedes Qubit als Lichtpunkt sehen“, sagte Manetsch. „Es ist ein eindrucksvolles Bild von Quantenhardware in großem Maßstab.“

Obwohl das Team einen neuen Rekord in der Skalierung aufstellen konnte, ging diese Menge nicht zu Lasten der Qualität, da sie sogar lange Kohärenzzeiten erreichten.

Das Team konnte diese Qubits etwa 13 Sekunden lang in Superposition halten, was etwa zehnmal länger ist als bei ähnlichen Arrays zuvor. Zudem konnten sie einzelne Qubits mit einer Genauigkeit von bis zu 99,98 % manipulieren.

Laut Nomura:

„Großer Maßstab, mit mehr Atomen, wird oft als Kosten für Genauigkeit angesehen, aber unsere Ergebnisse zeigen, dass wir beides erreichen können. Qubits sind ohne Qualität nutzlos. Jetzt haben wir Menge und Qualität.“

Ferner zeigte das Team, dass sie die Atome Hunderte von Mikrometern (μm) über das Array bewegen können, während sie die Superposition beibehalten. Denken Sie daran, ein Glas Wasser beim Laufen zu balancieren.

„Ein Atom zu halten, während man sich bewegt, ist wie zu versuchen, das Glas Wasser nicht umkippen zu lassen. Das Atom gleichzeitig in einem Superpositionszustand zu halten, ist, vorsichtig zu sein, nicht so schnell zu laufen, dass das Wasser überschwappt.“

– Manetsch

Diese Fähigkeit ist ein Schlüsselmerkmal von Quantencomputern mit neutralen Atomen, da sie im Vergleich zu supraleitenden Qubits eine effizientere Fehlerkorrektur ermöglicht.

Die Forschung zeigt, dass neutrale Atome ein starker Kandidat dafür sind, uns zu helfen, die Quantenfehlerkorrektur im Maßstab von tausenden physischen Qubits zu implementieren, was der nächste große Meilenstein für das Feld ist.

„Quantencomputer müssen Informationen so codieren, dass sie gegenüber Fehlern tolerant sind, damit wir tatsächlich wertvolle Berechnungen durchführen können. Im Gegensatz zu klassischen Computern können Qubits nicht einfach kopiert werden, aufgrund des sogenannten No‑Cloning‑Theorems, sodass die Fehlerkorrektur auf subtilere Strategien angewiesen ist.“

– Bataille

Mit dem erreichten Superpositionszustand, der eine entscheidende Rolle bei der Informationsverarbeitung und -speicherung spielt, wird das Team nun an Verschränkung arbeiten, wobei sie die Qubits in ihrem Array verbinden, sodass Teilchen als ein Ganzes agieren.

Durch das Erreichen des Verschränkungszustands werden Quantencomputer in der Lage sein, vollständige Quantenberechnungen durchzuführen und zu simulieren. Durch die Nutzung von Verschränkung können Forscher zudem neue wissenschaftliche Entdeckungen machen.

„Es ist spannend, dass wir Maschinen schaffen, die uns helfen, das Universum auf Arten zu verstehen, die nur die Quantenmechanik lehren kann.“

– Manetsch

Neue fehlerunterdrückende Architekturen & Hyper‑Verschränkungsergebnisse

Endres und sein Team arbeiten schon lange am Quantencomputing. Er ist darauf spezialisiert, einzelne Atome mit optischen Tweezern zu kontrollieren, um fundamentale Eigenschaften von Quantensystemen zu untersuchen.

Neben dem rekordbrechenden Quantensystem, das über 6.000 einzelne Atome kontrolliert, haben die Experimente seines Teams zu neuen Techniken zum Löschen von Fehlern in Quantenmaschinen und zu einem neuen Gerät geführt, das die präzisesten Uhren der Welt bereitstellen kann.

Im Mai dieses Jahres veröffentlichten sie eine Studie die das Problem der zittrigen Bewegung von Atomen behandelt, das die Systemkontrolle erschwert. Was sie getan haben, ist, dieses Problem zu nutzen, um Quanteninformation zu codieren.

„Wir zeigen, dass atomare Bewegung, die normalerweise als Quelle unerwünschten Rauschens in Quantensystemen behandelt wird, in eine Stärke umgewandelt werden kann.“

Der Mitautor der Studie, Adam Shaw

Ihr Experiment codierte Quanteninformation in der Bewegung der Atome und führte zu einem Zustand der Hyper‑Verschränkung.

Das bedeutet, dass die einzelnen elektronischen Zustände und Bewegungszustände der hyper‑verschränkten Atompaare korreliert waren. Ihre Demonstration, die erste Hyper‑Verschränkung in massiven Teilchen wie neutralen Atomen oder Ionen, impliziert weiter, dass noch mehr Eigenschaften gleichzeitig verschränkt werden könnten.

„Das ermöglicht uns, mehr Quanteninformation pro Atom zu codieren“, sagte Endres. „Man bekommt mehr Verschränkung mit weniger Ressourcen.“

Für ihre Experimente kühlten sie ein Array einzelner alkalischer neutraler Atome, die in optischen Tweezern gefangen waren, und demonstrierten eine neue Kühlform über „Erkennung und nachfolgende aktive Korrektur thermischer Bewegungsanregungen“.

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

Die Technik ließ die Atome fast vollständig zum Stillstand kommen. Anschließend wurden die Atome zu einer Oszillation mit einer Amplitude von 100 Nanometer angeregt, wodurch sie gleichzeitig in zwei unterschiedliche Oszillationen versetzt wurden, was die Bewegung in den Superpositionszustand brachte.

Die einzelnen Atome wurden dann mit Partneratomen verschränkt, die weiter hyper‑verschränkt wurden, um die Bewegung und elektronischen Zustände der Atome zu korrelieren.

„Im Grunde war das Ziel, die Grenzen dessen zu verschieben, wie viel wir diese Atome kontrollieren können. Wir bauen im Wesentlichen einen Werkzeugkasten: Wir wussten, wie man die Elektronen innerhalb eines Atoms kontrolliert, und haben jetzt gelernt, wie man die äußere Bewegung des Atoms als Ganzes kontrolliert. Es ist wie ein Atomspielzeug, das Sie vollständig gemeistert haben.“

– Endres

In einer anderen Studie von Caltech demonstrierte ein Team am Caltech Center for Quantum Computing ein neues Quanten‑Chip‑Design, das zur Unterdrückung von Fehlern entwickelt wurde.

„Damit Quantencomputer erfolgreich sein können, müssen die Fehlerraten 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 Fehlerraten sinken, geschieht dies nur langsam, „etwa ein Faktor von zwei alle zwei Jahre“, also entwickeln sie eine neue Chip‑Architektur, obwohl sie „ein frühes Baustein“ sei.

Die Forscher verwenden Cat‑Qubits, die Bit‑Flip‑Fehler stark reduzieren, wobei Phase‑Flip‑Fehler die einzigen verbleibenden zu korrigierenden Fehler sind. Das bedeutet, dass sie einen Wiederholungscode nutzen können. In ihrem neuen Chip namens Ocelot bedeutet ein klassischer Wiederholungscode, dass nicht so viele Qubits zur Fehlerkorrektur benötigt werden.

„Wir haben eine skalierbarere Architektur demonstriert, die die Anzahl zusätzlicher Qubits, die für die Fehlerkorrektur benötigt werden, um bis zu 90 % reduzieren kann.“

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

Um dies zu erreichen, kombiniert der Ocelot‑Chip fünf Cat‑Qubits, spezielle Puffer‑Schaltungen zur Stabilisierung ihrer Oszillation und vier unterstützende Qubits zur Erkennung von Phasenfehlern. Der Wiederholungscode hat sich als effektiv beim Auffangen von Phase‑Flip‑Fehlern erwiesen, wobei die Wirksamkeit steigt, wenn der Code von drei auf fünf Cat‑Qubits erweitert wird.

Investieren in Quantentechnologie

Jetzt ist einer der reinsten Akteure im Markt für Quantencomputing IonQ (IONQ ), das den trapped‑ion‑Ansatz nutzt, um die Technologie zur Realität zu machen. Was es wirklich auszeichnet, sind die hochpräzisen Gatter, die Integration mit großen Cloud‑Plattformen, aggressive Akquisitionen und starkes Patentwachstum, obwohl die Skalierungskosten eine große Herausforderung darstellen.

IonQ (IONQ )

Vor einem Jahrzehnt gegründet, basierend auf jahrelanger Forschung an der University of Maryland und der Duke University, entwickelt IonQ trapped‑ion‑Quantencomputer. Das Ziel des Unternehmens ist es, diese Technologie in kommerzielle, industrielle und akademische Anwendungen zu überführen.

Dafür konzentriert sich das Unternehmen auf ionisierte Atome, von denen es glaubt, dass sie die Computer befähigen, komplexere Berechnungen länger und mit weniger Fehlern durchzuführen.

Erst diesen Monat behauptete IonQ, eine Zwei‑Qubit‑Gatter‑Fidelity von über 99,9 % auf seinen Barium‑Entwicklungsplattformen erreicht zu haben, was das Unternehmen seinem kommerziellen System IonQ Tempo näher bringt.

Dieser Meilenstein „markiert eine kritische Schwelle für Unternehmens‑Grade‑Systeme“, sagte Dean Kassmann, SVP für Engineering und Technology bei IonQ, und bemerkte, dass „je besser die native Gatter‑Fidelity, desto weniger Fehlerkorrektur in jeglicher Form erforderlich ist. Höhere Fidelity ist auch essentiell für schnellere, genauere Quantenanwendungen.“

Der Einsatz von Barium‑Ionen als Qubits ist ein Wechsel von Ytterbium‑Ionen, mit denen das Unternehmen den Großteil seiner Geschichte gearbeitet hat. Barium‑Ionen wurden wegen ihrer höheren Gattergeschwindigkeit, höheren nativen Fidelity‑Grenze, besseren Stabilität, geringeren State‑Preparation/Measurement‑Fehlern (SPAM) und insgesamt überlegener Leistung ausgewählt.

IonQ verfügt zudem über ein robustes Patentportfolio, das nun die 1.000‑Marke überschritten hat, was das Unternehmen laut eigenen Angaben in die Lage versetzt, skalierbare, leistungsstarke, kosteneffiziente Systeme zu entwickeln und damit den Zeitplan für einen beispiellosen kommerziellen Quantenvorteil zu beschleunigen.

Am 29. Sep 2025 schloss IONQ bei 64,26 $ (All‑Time‑High 75,14 $ am 23. Sep 2025). Das entspricht etwa dem 7,4‑fachen des Schlusskurses von 8,74 $ am 30. Sep 2024. Die Jahres‑bis‑heute‑Performance variiert je nach Quelle, liegt aber grob bei +50 % bis +90 %. Die Marktkapitalisierung liegt bei etwa 20‑22 Mrd. $.

Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von -2,02 und ein KGV (TTM) von -33,35.

In Bezug auf die Finanzen meldete IonQ für das zweite Quartal zum 30. Jun 2025 einen Umsatz von 20,7 Mio. $. Der Nettoverlust betrug 177,5 Mio. $. Barmittel, Barmitteläquivalente und Investitionen am Quartalsende beliefen sich auf 656,8 Mio. $.

Im Laufe dieses Quartals stärkte das Unternehmen seine Bilanz durch die größte Eigenkapitalinvestition von einer einzelnen Institution in der Branche. IonQ schloss zudem die Übernahme des Quanten‑Interconnect‑Unternehmens Lightsynq und des Raumfahrt‑Unternehmens Capella ab und schlug die Übernahme von Oxford Ionics für 1,075 Mrd. $ vor.

„Die Kombination aus IonQ‑Hardware‑ und Software‑Expertise und Oxford’s Implementierung von ion‑trap‑on‑a‑chip liefert dem Team, dem IP, der Technologie und dem 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 von einer bis zu 20‑fachen Beschleunigung eines quantenbeschleunigten Workflows für computergestützte Chemie (für die Wirkstoffentwicklung) in Zusammenarbeit mit AstraZeneca, NVIDIA und AWS.

Neueste IonQ (IONQ) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Fazit

Quantentechnologie wird allgemein erwartet, Industrien zu revolutionieren, indem sie komplexe Probleme löst. Das rekordbrechende Experiment an Caltech zeigt, dass großskalige, fehlerkorrigierte Quantencomputer der Realität näher kommen könnten.

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

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References

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3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Veröffentlicht am 24. September 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

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