Oxford‑Wissenschaftler senken Quantenfehler auf Rekordtief

Ein wachsendes Interesse an Quantentechnologie lässt die Marktgröße die 1‑Milliarde‑Dollar‑Marke überschreiten und wird voraussichtlich bis 2040 einen Wert von mehr als $170 Milliarden erreichen. Laut McKinsey könnte Quantentechnologie innerhalb des nächsten Jahrzehnts Billionen von Dollar an Wert schaffen. 

Im Ökosystem der Quantentechnologie birgt insbesondere das Quantencomputing enormes Potenzial. Es nutzt die Quantenmechanik, die sich einfach mit dem Verhalten von Materie und Energie auf atomarer und subatomarer Ebene befasst, um komplexe Probleme zu lösen. 

Quantencomputing wird voraussichtlich tiefgreifende Auswirkungen in verschiedenen Bereichen haben, darunter Technologie, Forschung, Wissenschaft, Finanzen und die Wirtschaft.

Im Gegensatz zu klassischen Computern, wie unseren Laptops, die Informationen in Bits speichern und verarbeiten, wobei jedes Bit entweder Null oder Eins ist, ist die Basiseinheit im Quantencomputing ein Qubit. Ein Quantenchip besteht aus vielen Quantenbits oder Qubits, die typischerweise subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen sind und durch speziell gestaltete elektrische und magnetische Felder manipuliert und gesteuert werden.

Die Qubits können sich im Zustand Null, Eins oder in einer Kombination beider befinden. Die Kombination, die als „Superpositionszustand“ bezeichnet wird, ist eine besondere Eigenschaft, die Quantencomputer ermöglicht, extrem große Datensätze viel schneller zu speichern und zu verarbeiten als selbst die leistungsstärksten klassischen Computer.

Jetzt gibt es viele verschiedene Wege, diese Qubits herzustellen, zum Beispiel mit Halbleitern, Photonik, supraleitenden Bauelementen und anderen Ansätzen.

Die Qualität der Qubits ist hier von großer Bedeutung. Sie sind jedoch empfindlich gegenüber Fehlern oder Rauschen, das unerwünschte Störungen aus vielen Quellen sein können. Diese Quellen können Temperaturänderungen, Unvollkommenheiten im Fertigungsprozess und Wechselwirkungen mit der Umgebung des Qubits umfassen, unter anderem.
Diese Fehler reduzieren die Zuverlässigkeit eines Qubits, was als Treue (Fidelity) bezeichnet wird. Ein Qubit mit hoher Treue ist entscheidend für einen Quantenchip, um komplexe Aufgaben auszuführen.

Quantenzuverlässigkeit zur Realität machen

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler an logischen Qubits gearbeitet, die Qubits bezeichnen, die mithilfe einer Sammlung physischer Qubits codiert werden, um Fehler zu schützen. Während physische Qubits die tatsächliche Quantenhardware darstellen, ist ein logisches Qubit eine Abstraktion, die ein fehlertolerantes Qubit nachahmt.

Große Quantenchip‑Entwickler haben ihren Fokus auf logische Qubits verlagert und machen bedeutende Fortschritte bei der Quantenfehlerkorrektur.

Zum Beispiel hat im Dez. 2024 Google (GOOG )  vorgestellt seinen Quantenchip namens Willow. Dieser neue Chip, basierend auf supraleitenden Qubits, wurde als großer Durchbruch im Bereich des Quantencomputings gefeiert, obwohl er derzeit keine realen Anwendungen hat.

Typischerweise führen mehr eingesetzte Qubits zu mehr Fehlern, und das System wird klassisch. Google zeigte¹ dass je mehr Qubits sie in Willow nutzten, desto weniger Fehler sie reduzierten, und das System desto quanten­hafter wurde. 

Der Technologieriese konnte die Fehler „exponentiell“ reduzieren, indem er die Anzahl der Qubits skalierte, sagte Hartmut Neven, Gründer von Google Quantum AI. Diese „löst ein zentrales Problem der Quantenfehlerkorrektur, das das Feld fast 30 Jahre lang verfolgt hat“, fügte er hinzu.

Um Willows Leistung zu messen, nutzte Google den Standard Random Circuit Sampling (RCS). Sein Quantenchip führte eine Berechnung in weniger als fünf Minuten aus, die ein Supercomputer 10 Sextillionen Jahre benötigen würde.

Im Feb. dieses Jahres stellte Microsoft (MSFT ) ebenfalls den weltweit ersten Quantenprozessor vor, der von topologischen Qubits angetrieben wird. Majorana 1 ist darauf ausgelegt, auf einem einzigen Chip auf eine Million Qubits zu skalieren. Mit diesem Erfolg sagte das Technologieunternehmen, dass es auf dem besten Weg sei, in nur wenigen Jahren einen Prototyp eines skalierbaren, fehlertoleranten Quantencomputers zu bauen.

Die Grundlage von Majorana 1 ist der Durchbruch des Teams, insbesondere der Topokonduktor, eine Materialklasse, die die Erzeugung topologischer Supraleitung ermöglichte. Dies ist das Ergebnis der Fertigung eines Geräts, das Aluminium (ein Supraleiter) und Indiumarsenid (ein Halbleiter) kombiniert.

Wenn dieses Gerät auf nahezu Null Kelvin gekühlt und dann mit Magnetfeldern abgestimmt wird, bildet es topologische supraleitende Nanodrähte, wobei die Enden der Drähte Majorana‑Null‑Modi (MZMs) enthalten, die als Bausteine ihrer Qubits dienen.

Um das Potenzial der Quanten zu erschließen, hat das Team bereits acht topologische Qubits auf einem Chip platziert, der für eine Million ausgelegt ist.

Sogar Amazon (AMZN ) hat sein Quantenchip namens ‘Ocelot’ angekündigt, das eine skalierbare Architektur nutzt, um die Fehlerkorrektur um bis zu 90 % zu reduzieren. 

Der Chip besteht aus zwei integrierten Silizium‑Mikrochips, von denen jeder etwa einen Quadratzentimeter groß ist und übereinander in einem elektrisch verbundenen Chip‑Stack angeordnet ist. Jede Mikrochip‑Oberfläche hat dünne Schichten supraleitender Materialien, die die Quanten‑Schaltkreiselemente bilden.

Insgesamt gibt es 14 Hauptelemente des Ocelot‑Chips, darunter fünf Daten‑Qubits (Cat‑Qubits), weitere fünf zur Stabilisierung der Daten‑Qubits und vier weitere Qubits zur Fehlererkennung an den Daten‑Qubits.

Die Cat‑Qubits speichern die Quantenzustände, wobei sie auf Oszillatoren basieren, die aus einem dünnen Tantalum‑Film bestehen und kontinuierlich ein wiederholtes elektrisches Signal erzeugen. 

„Mit den jüngsten Fortschritten in der Quantenforschung ist es nicht mehr die Frage, ob, sondern wann praktische, fehlertolerante Quantencomputer für reale Anwendungen verfügbar sein werden. Ocelot ist ein wichtiger Schritt auf diesem Weg.“

– Oskar Painter, AWS‑Direktor für Quantenhardware.

Man glaubt, dass die Ocelot‑Architektur den Zeitplan für einen praktischen Quantencomputer um bis zu fünf Jahre beschleunigt.

Der Wettlauf zu fehlertoleranten Quantensystemen

Die Verbesserung der Genauigkeit von Quantenberechnungen steht im Fokus von Unternehmen und Forschern weltweit, und hier wurden bedeutende Fortschritte erzielt.

Vor nur ein paar Jahren präsentierten MIT‑Forscher eine neue supraleitende Qubit‑Architektur, die Operationen zwischen Qubits mit hoher Genauigkeit ausführen kann. Der neue Typ supraleitender Qubits ist Fluxonium, das eine Lebensdauer bzw. Kohärenzzeiten hat, die deutlich länger sind als bei den üblichen.

Die Kohärenzzeit ist ein Maß dafür, wie lange ein Qubit Operationen ausführen kann, bevor alle Informationen im Qubit verloren gehen.

„Je länger ein Qubit lebt, desto höher ist die Treue der Operationen, die es ausführt.“

– Leitender Autor, Leon Ding

Die Architektur beinhaltete ein spezielles Kopplungselement zwischen zwei Fluxonium‑Qubits, das ihnen ermöglichte, logische Operationen, sogenannte Gates, mit hoher Genauigkeit auszuführen. Es unterdrückt Hintergrundrauschen, das Fehler in Quantenoperationen einbringen kann.

Die Genauigkeit von Zwei‑Qubit‑Gates überstieg 99,9 % bei gleichzeitig 99,99 % bei Einzel‑Qubit‑Gates. Die Architektur wurde zudem auf einem Chip mit einem erweiterbaren Fertigungsprozess implementiert.

„Der Bau eines groß‑skaligen Quantencomputers beginnt mit robusten Qubits und Gates“, und die Studie zeigte ein vielversprechendes Zwei‑Qubit‑System, erklärte Ding. Die Fluxonium‑Qubits erreichten Kohärenzzeiten von mehr als einer Millisekunde. Ihr nächster Schritt war, die Anzahl der Qubits zu erhöhen.

Vor ein paar Monaten präsentierten MIT‑Forscher ebenfalls einen supraleitenden Quanten‑Schaltkreis, der eine starke nichtlineare Kopplung zwischen Photonen (Mikrowellenlicht) und künstlichen Atomen (Qubits) erreichte. Er könnte das Auslesen und die Verarbeitung von Quanteninformation in wenigen Nanosekunden ermöglichen.

Dafür nutzten die Forscher ein einzigartiges supraleitendes Schaltkreis‑Framework, um nichtlineare Licht‑Materie‑Kopplungen zu zeigen, die deutlich stärker sind als zuvor beobachtet und einen Quantenprozessor ermöglichen könnten, bis zu zehnmal schneller zu arbeiten.

Laut dem leitenden Autor Yufeng „Bright“ Ye:

„Das würde wirklich einen der Engpässe im Quantencomputing beseitigen. Normalerweise muss man die Ergebnisse seiner Berechnungen zwischen den Runden der Fehlerkorrektur messen. Das könnte beschleunigen, wie schnell wir die Phase des fehlertoleranten Quantencomputings erreichen und reale Anwendungen und Nutzen aus unseren Quantencomputern ziehen können.“

Bemerkenswerterweise erfand Ye einen neuen Typ von Quanten‑Koppler, um Interaktionen zwischen Qubits zu erleichtern. Der Quarton‑Koppler ist eine spezielle Art von supraleitendem Schaltkreis, der extrem starke nichtlineare Kopplungen erzeugen kann, und durch Zuführen von mehr Strom erzeugt der Koppler eine noch stärkere nichtlineare Interaktion. Ye erklärte:

„Die meisten nützlichen Interaktionen im Quantencomputing stammen aus nichtlinearer Kopplung von Licht und Materie. Wenn man ein vielseitigeres Spektrum verschiedener Kopplungsarten erhält und die Kopplungsstärke erhöht, kann man im Grunde die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Quantencomputers erhöhen.“ 

Mit dieser Arbeit hoffen die Forscher, dass andere in der Lage sein werden, einen fehlertoleranten Quantencomputer für praktische, groß‑skalige Quantenberechnungen zu bauen.

Innovationen des SQMS Nanofabrication Taskforce haben Kohärenzzeiten von bis zu 0,6 Millisekunden erreicht², das Ergebnis optimierten Qubit‑Designs und verbesserter Auslese‑Resonatoren, die beide die Stabilität und Kohärenz erhöhten. 

Diese Zusammenarbeit zwischen dem National Institute of Standards and Technology (NIST), dem Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center von Fermilab und mehreren anderen Regierungs‑, Universitäts‑ und Industriepartnern zielt darauf ab, die Quantenforschung der Realität näher zu bringen. 

Mitten in all diesen Initiativen haben Physiker der University of Oxford einen neuen Weltrekord für die Genauigkeit von Qubit‑Operationen aufgestellt.

Ein neues globales Benchmark für Quanten‑Genauigkeit setzen

Die neue Studie, veröffentlicht in Physical Review Letters³, zeigt, dass Oxford‑Physiker eine Fehlerrate von nur 0,000015 % für eine einzelne Quantenlogik‑Operation erreicht haben. 
Das bedeutet ein Fehler in 6,7 Millionen Operationen, ein neuer Rekord für die Genauigkeit von Qubit‑Operationen und ein großer Sprung hin zu robusteren und nützlicheren Quantencomputern, die hochkomplexe Probleme mit weniger physischen Qubits und reduziertem Infrastrukturbedarf angehen können.

„Soweit wir wissen, ist dies die genaueste Qubit‑Operation, die je irgendwo auf der Welt aufgezeichnet wurde. Es ist ein wichtiger Schritt zum Bau praktischer Quantencomputer, die reale Probleme angehen können.“ 

– Der Mitautor der Studie, Professor David Lucas, Fachbereich Physik, University of Oxford

Interessant ist, dass dieser Durchbruch den vorherigen Rekord, der vom selben Team aufgestellt wurde, übertrifft. Der neue Rekord ist etwa siebenmal genauer als der vorherige.

Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt implementierte⁴ das Team alle Einzel‑Qubit‑Operationen mit Treuen weit über dem Mindestschwellenwert für fehlertolerantes Quantencomputing, wobei ein gefangener‑Ion‑Qubit verwendet wurde, das in hyperfeinen „Atomuhr“-Zuständen gespeichert war. Zu dieser Zeit betrug ihre Einzel‑Qubit‑Fehlerrate 1 zu 1 Million. 

Dieser Erfolg führte zur Gründung des Spin‑out‑Unternehmens Oxford Ionics im Jahr 2019, das zu einem führenden Anbieter von Hochleistungs‑Gefangenen‑Ion‑Qubit‑Plattformen geworden ist. Im Mai 2025 skizzierte drei kurzfristige Entwicklungsphasen: ‘Foundation’, ‘Enterprise‑grade’ und ‘Value at scale’, um innerhalb der nächsten 3 Jahre breiten kommerziellen Wert zu erzielen und Geräte mit einer Million Qubits zu liefern. Erst letzte Woche ging Oxford Ionics eine Vereinbarung mit IonQ (IONQ ) ein, um es für 1,075 Milliarden $ zu übernehmen.

Jetzt hat dasselbe Team einen neuen Meilenstein bei der Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei Quanten‑Logik‑Gates erreicht.

Nützliche Berechnungen auf einem Quantencomputer erfordern, dass Millionen von Operationen über viele Qubits hinweg ausgeführt werden. Doch diese Größenordnung bedeutet, dass eine hohe Fehlerrate das Endergebnis bedeutungslos und nutzlos machen kann.

Die Korrektur des Fehlers kann den Fehler beheben, erfordert jedoch noch mehr Qubits. Durch die Reduzierung des Fehlers verringert die neue Studie die benötigte Anzahl an Qubits, was wiederum die Größe und Kosten des Quantencomputers senkt.

„Durch die drastische Reduzierung der Fehlerrate reduziert diese Arbeit erheblich die für die Fehlerkorrektur erforderliche Infrastruktur und ebnet den Weg für zukünftige Quantencomputer, die kleiner, schneller und effizienter sein werden. Präzise Kontrolle von Qubits wird auch für andere Quantentechnologien wie Uhren und Quantensensoren nützlich sein“, sagte die Mit‑Leitung der Studie, Molly Smith, eine Doktorandin an der Oxford.

Um das beispiellose Genauigkeitsniveau zu erreichen, verwendeten die Physiker ein gefangenes Calcium‑Ion als Qubit.

Calcium‑Ionen werden häufig zur Speicherung von Quanteninformation verwendet, weil sie lange Kohärenzzeiten und hohe Treue bei Quantenoperationen aufweisen. Sie sind zudem sehr robust und lassen sich leicht mit Lasern manipulieren.

Das Oxford‑Team nutzte jedoch nicht den herkömmlichen Laseransatz; stattdessen setzten sie elektronische (Mikrowellen‑)Signale ein, um den Quantenzustand der Calcium‑Ionen zu steuern.

Mit dieser Technik konnten sie eine größere Stabilität erreichen als bei der Lasersteuerung. Aber das ist nicht alles. Im Vergleich zu Lasern ist die elektronische Steuerung zudem günstiger und robuster. Sie lässt sich auch leichter in ionen‑fängende Chips integrieren. 

Außerdem wurde das Experiment ohne magnetische Abschirmung und bei Raumtemperatur durchgeführt, was die technischen Anforderungen an einen funktionierenden Quantencomputer vereinfacht.

So konnte das Team den Fehler diesmal um fast eine Größenordnung reduzieren, indem sie die Mikrowellen‑Amplitude und -Detuning besser kontrollierten und automatisierte Kalibrierungsverfahren einsetzten. Zusätzlich trugen die reduzierte Anregung von Zuschauer‑Übergängen durch größere Zeeman‑Aufspaltungen sowie die Verwendung von Pulsformen dazu bei. 

Die rekordbrechende Präzision ist ein gewaltiger Erfolg; sie ist jedoch nur ein Teil einer größeren Herausforderung. Wie das Team feststellte, erfordert Quantencomputing sowohl Einzel‑ als auch Zwei‑Qubit‑Gates, und Zwei‑Qubit‑Gates leiden weiterhin unter hohen Fehlerraten.

Derzeit liegt die beste Fehlerrate bei etwa 1 zu 2000, sodass das Team diese Zahl weiter senken muss, um eine vollständig fehlertolerante Quantenmaschine zu bauen.

Hoch‑fidelitäre Einzel‑Qubit‑Operationen haben nach wie vor viele Anwendungen sowohl in der Quanteninformation als auch darüber hinaus, einschließlich des Schutzes von „Leerlauf‑“Qubits mittels dynamischer Entkopplung, in Quanten‑Sensortechnologien und zusammengesetzten Pulssequenzen, um einzelne Qubits anzusprechen und Fehler zu kompensieren.

Investitionen in Quantencomputing

International Business Machines Corporation (IBM ), das für seine Hybrid‑Cloud‑ und KI‑Plattformen sowie Beratungs‑ und Infrastrukturdienstleistungen bekannt ist, erforscht die Quantentechnologie seit den 1970er‑Jahren. 2016 startete es die IBM Quantum Experience, die den ersten Quantenprozessor in die Cloud brachte und damit für alle zugänglich machte.

IBM (IBM ) 

Im Laufe der Jahre setzte IBM seine Forschung in diesem Bereich fort und kündigte letzte Woche Pläne an, bis 2029 einen praktischen Quantencomputer bereitzustellen.

Unter dem Namen „Starling“ wird der fehlertolerante Quantencomputer mit 200 logischen Qubits in einem Datenzentrum gebaut, das derzeit in Poughkeepsie, New York, im Bau ist.

Laut Berichten hat das Team einen neuen Algorithmus entwickelt, der die für die Fehlerkorrektur benötigte Anzahl an Qubits deutlich reduziert. Jay Gambetta, verantwortlich für IBMs Quanteninitiative, sagte in einem Interview:

„Wir haben diese wissenschaftlichen Fragen beantwortet. Sie brauchen jetzt kein Wunder mehr. Jetzt benötigen Sie eine große ingenieurtechnische Herausforderung. Es gibt keine Neuerfindung von Werkzeugen oder Ähnlichem.“

Betrachtet man die Marktkapitalisierung von 257,64 Milliarden $, so liegt der aktuelle Aktienkurs von IBM bei 278 $, ein Anstieg von 26,11 % im Jahresverlauf. IBM‑Aktien erreichten letzte Woche sogar ein All‑Time‑High (ATH) von 281,75 $.

Damit beträgt das EPS (TTM) 5,85 und das KGV (TTM) 47,42, während die Dividendenrendite 2,42 % beträgt.

Bezüglich IBMs Finanzen meldete das Unternehmen für das erste Quartal 2025 einen Umsatz von 14,5 Milliarden $. Die GAAP‑Bruttogewinnmarge lag in diesem Zeitraum bei 55,2 %, während die Non‑GAAP‑Betriebsgewinnmarge 56,6 % betrug. Die GAAP‑Vorsteuergewinnmarge lag bei 8 % und die Non‑GAAP‑Betriebsgewinnmarge bei 12 %.

„Wir haben die Erwartungen für Umsatz, Rentabilität und freien Cashflow im Quartal übertroffen, angetrieben durch die Stärke unseres Software‑Portfolios. Es gibt weiterhin eine starke Nachfrage nach generativer KI und unser Geschäftsvolumen liegt bei über 6 Milliarden $ seit Beginn, im Quartal um mehr als 1 Milliarde $ gestiegen.“ 

– CEO Arvind Krishna

Im ersten Quartal dieses Jahres betrug das aus operativen Aktivitäten generierte Netto‑Cash 4,4 Milliarden $, während der freie Cashflow 2 Milliarden $ betrug. IBM beendete das Quartal mit 17,6 Milliarden $ an Cash, eingeschränktem Cash und Wertpapieren.
Eine starke Liquiditätsposition und solider freier Cashflow ermöglichten es dem Unternehmen, den Aktionären 1,5 Milliarden $ an Dividenden zurückzuzahlen. Es investierte außerdem 7,1 Milliarden $ in Übernahmen, darunter den Kauf von HashiCorp. Laut Krishna:

„Wir bleiben optimistisch hinsichtlich der langfristigen Wachstumschancen für Technologie und die globale Wirtschaft.“ 

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu International Business Machines Corporation (IBM) Aktien

Fazit: Nächste Schritte zur Quantenrealität

Von Wissenschaftlern über Unternehmen bis hin zu Regierungen ist jeder aktiv und tief in die Realisierung von Quantencomputern eingebunden. Die neuesten Durchbrüche des Oxford‑Teams und der Technologieriesen verbessern die Qubit‑Treue drastisch und machen die Fehlerkorrektur effizienter, was bedeutet, dass der nächste Quantensprung möglicherweise nicht mehr Jahrzehnte entfernt ist und praktische Quantenmaschinen unvermeidlich werden!

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Studien zitiert:

^{1. Google Quantum AI und Mitwirkende. Quantenfehlerkorrektur unterhalb der Schwellenwertes des Surface‑Codes. Nature 2025, 638 (8016), 920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
2. Bal, M.; Crisa, F.; Murthy, A. A.; et al. SQMS Nanofabrication Taskforce: Zur Fertigung hochkohärenter supraleitender Qubits. Conference, 20 September 2024. https://doi.org/10.2172/2462792
3. Smith, M. C.; Leu, A. D.; Miyanishi, K.; et al. Einzel‑Qubit‑Gates mit Fehlern auf dem Niveau von 10⁻⁷. Phys. Rev. Lett. 2025, 134, 230601. https://doi.org/10.1103/42w2-6ccy
4. Harty, T. P.; Allcock, D. T. C.; Ballance, C. J.; et al. Hoch‑fidelitäre Vorbereitung, Gates, Speicher und Auslesung eines gefangenen‑Ion‑Qubits. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 220501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501}