Oxford-Wissenschaftler senken Quantenfehler auf Rekordtief

Das wachsende Interesse an Quantentechnologie hat dazu geführt, dass der Markt über 1 Milliarde Dollar umfasst und bis 2040 auf über 170 Milliarden Dollar bewertet werden soll. Laut McKinsey könnte die Quantentechnologie innerhalb des nächsten Jahrzehnts einen Wert von Billionen Dollar schaffen.

Im Quantentechnologie-Ökosystem hat das Quantencomputing insbesondere ein enormes Potenzial. Es beinhaltet die Verwendung von 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 einen tiefgreifenden Einfluss auf verschiedene Bereiche haben, einschließlich Technologie, Forschung, Wissenschaft, Finanzen und Wirtschaft.

Im Gegensatz zu klassischen Computern, wie unseren Laptops, die Informationen in Bits speichern und verarbeiten, wobei jedes Bit eine 0 oder eine 1 ist, ist die grundlegende Einheit im Quantencomputing ein Qubit. Ein Quantenchip besteht aus vielen Quantenbits oder Qubits, die typischerweise subatomare Teilchen wie Elektronen oder Photonen sind, die durch speziell entwickelte elektrische und magnetische Felder manipuliert und gesteuert werden.

Die Qubits können in einem Zustand von 0, 1 oder einer Kombination aus beiden sein. Die Kombination, auch “Superpositionszustand” genannt, ist eine einzigartige Eigenschaft, die es Quantencomputern ermöglicht, extrem große Datensätze viel schneller zu speichern und zu verarbeiten als selbst die leistungsfähigsten klassischen Computer.

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, diese Qubits herzustellen, wie z.B. die Verwendung von Halbleitern, Photonik, supraleitenden Geräten und anderen Ansätzen.

Die Qualität der Qubits ist hier von großer Bedeutung. Sie sind jedoch empfindlich gegenüber Fehlern oder Rauschen, die unerwünschte Störungen sein können, die aus vielen Quellen stammen können. Diese Quellen könnten Veränderungen in der Temperatur, Unvollkommenheiten im Herstellungsprozess und Wechselwirkungen mit der Umgebung des Qubits umfassen.

Diese Fehler verringern die Zuverlässigkeit eines Qubits, die als Fidelität bekannt ist. Ein Qubit mit hoher Fidelität ist für einen Quantenchip erforderlich, um komplexe Aufgaben auszuführen.

Quantenzuverlässigkeit wird Realität

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler an logischen Qubits gearbeitet, die sich auf Qubits beziehen, die mithilfe einer Sammlung von physikalischen Qubits kodiert werden, um gegen Fehler zu schützen. Während physikalische Qubits die tatsächliche Quanten-Hardware darstellen, ist ein logisches Qubit eine Abstraktion, die ein fehlertolerantes Qubit imitiert.

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

Zum Beispiel stellte Google (GOOG ) im Dezember 2024 seinen Quantenchip namens Willow vor. Dieser neue Chip, der auf supraleitenden Qubits basiert, gilt als bedeutender Durchbruch im Bereich des Quantencomputings, obwohl er derzeit keine realen Anwendungen hat.

Typischerweise treten mehr Fehler auf, je mehr Qubits verwendet werden, und das System wird klassisch. Google hat jedoch demonstriert¹, dass die Verwendung von mehr Qubits in Willow zu weniger Fehlern führte und das System quantenmäßiger wurde.

Der Technologie-Riese konnte Fehler “exponentiell” reduzieren, indem er die Anzahl der Qubits erhöhte, sagte Hartmut Neven, Gründer von Google Quantum AI. Dies “durchbricht eine der großen Herausforderungen bei der Quantenfehlerkorrektur, die das Feld fast 30 Jahre lang verfolgt hat”, fügte er hinzu.

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

Im Februar dieses Jahres stellte Microsoft (MSFT ) auch den weltweit ersten Quantenprozessor vor, der von topologischen Qubits angetrieben wird. Majorana 1 ist dafür ausgelegt, auf einem einzigen Chip auf eine Million Qubits zu skalieren. Mit dieser Leistung sagte der Technologie-Riese, dass es auf dem Weg ist, innerhalb weniger Jahre ein Prototyp eines skalierbaren, fehlertoleranten Quantencomputers zu bauen.

Die Grundlage von Majorana 1 ist der Durchbruch, den das Team erzielt hat, insbesondere der Topokonnektor, eine Klasse von Materialien, die die Erstellung von topologischer Supraleitung ermöglicht. Dies ist das Ergebnis der Herstellung eines Geräts, das Aluminium (ein Supraleiter) und Indiumarsenid (ein Halbleiter) kombiniert.

Wenn dieses Gerät auf fast Null abgekühlt und dann mit magnetischen Feldern justiert wird, bildet es topologische supraleitende Nanodrähte, deren Enden die Majorana-Nullmoden (MZMs) enthalten, die als Bausteine für ihre Qubits dienen.

Um das Versprechen des Quantencomputings zu entsperren, hat das Team bereits acht topologische Qubits auf einem Chip platziert, der für eine Million Qubits ausgelegt ist.

Sogar Amazon hat seinen Quantenchip namens “Ocelot” angekündigt, der eine skalierbare Architektur verwendet, um die Fehlerkorrektur um bis zu 90 % zu reduzieren.

Der Chip besteht aus zwei integrierten Silizium-Mikrochips, die jeweils eine Fläche von etwa einem Quadratzentimeter haben und elektrisch miteinander verbunden sind. Jede Mikrochip-Oberfläche hat dünne Schichten von supraleitenden Materialien, die die Quantenschaltelemente bilden.

Es gibt insgesamt 14 Hauptelemente, die den Ocelot-Chip ausmachen, darunter fünf Datenqubits (Katzenqubits), fünf weitere, um die Datenqubits zu stabilisieren, und vier weitere Qubits, um Fehler in den Datenqubits zu erkennen.

Die Katzenqubits speichern die Quantenzustände, für die sie auf Oszillatoren angewiesen sind, die aus einer dünnen Schicht von Tantalum bestehen und ein repetitive elektrisches Signal erzeugen.

“Mit den jüngsten Fortschritten in der Quantenforschung ist es nicht mehr eine Frage des Ob, sondern des Wann praktische, fehlertolerante Quantencomputer für reale Anwendungen verfügbar sein werden. Ocelot ist ein wichtiger Schritt auf diesem Weg.”

– Oskar Painter, AWS-Direktor für Quanten-Hardware.

Die Architektur von Ocelot soll den Zeitplan für einen praktischen Quantencomputer um bis zu fünf Jahre beschleunigen.

Der Wettlauf zu fehlertoleranten Quantensystemen

Die Verbesserung der Genauigkeit von Quantenberechnungen ist das Ziel von Unternehmen und Forschern auf der ganzen Welt, und hier wurden bedeutende Fortschritte erzielt.

Vor ein paar Jahren präsentierten Forscher am MIT eine neue supraleitende Qubit-Architektur, die in der Lage ist, Operationen zwischen Qubits mit großer Genauigkeit auszuführen. Der neue Qubit-Typ ist Fluxonium, das eine Lebensdauer oder Kohärenzzeit haben kann, die viel länger ist als die von herkömmlich verwendeten Qubits.

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 Fidelität der Operationen, die es fördert.”

– Erstautor, Leon Ding

Die Architektur umfasste ein spezielles Koppelelement zwischen zwei Fluxonium-Qubits, das es ermöglichte, logische Operationen, auch als Gates bekannt, mit hoher Genauigkeit auszuführen. Es unterdrückt Hintergrundrauschen, das Fehler in Quantenoperationen verursachen kann.

Die Genauigkeit von Zweiqubit-Gates übertraf 99,9 %, während sie bei Einqubit-Gates 99,99 % erreichte. Die Architektur wurde auf einem Chip mit einem erweiterbaren Fertigungsprozess implementiert.

“Das Aufbauen eines großen Quantencomputers beginnt mit robusten Qubits und Gates”, und die Studie zeigte ein sehr vielversprechendes Zweiqubit-System, erklärte Ding. Die Fluxonium-Qubits erreichten Kohärenzzeiten von über einer Millisekunde. Ihr nächster Schritt besteht darin, die Anzahl der Qubits zu erhöhen.

Vor ein paar Monaten präsentierten Forscher am MIT auch einen supraleitenden Quantenschaltkreis, der eine starke nichtlineare Kopplung zwischen Photonen (Mikrowellenlicht) und künstlichen Atomen (Qubits) erreichte. Dies könnte die Ausgabe und Verarbeitung von Quanteninformation in wenigen Nanosekunden ermöglichen.

Dazu verwendeten die Forscher ein einzigartiges supraleitendes Schaltkreis-Design, um eine nichtlineare Licht-Materie-Kopplung zu zeigen, die erheblich stärker ist als zuvor beobachtet und es einem Quantenprozessor ermöglichen könnte, bis zu 10-mal schneller zu arbeiten.

Laut dem Erstautor Yufeng “Bright” Ye:

“Dies würde tatsächlich eine der Flaschenhälse im Quantencomputing beseitigen. Normalerweise müssen Sie die Ergebnisse Ihrer Berechnungen zwischen den Runden der Fehlerkorrektur messen. Dies könnte beschleunigen, wie schnell wir den fehlertoleranten Quantencomputing-Status erreichen und reale Anwendungen und Wert aus unseren Quantencomputern ziehen können.”

Bemerkenswerterweise erfand Ye einen neuen Typ von Quantenkoppler, um die Wechselwirkungen zwischen Qubits zu erleichtern. Der Quarton-Koppler ist eine spezielle Art von supraleitendem Schaltkreis, der eine extrem starke nichtlineare Kopplung erzeugen kann, und indem man mehr Strom hineinleitet, erzeugt der Koppler eine noch stärkere nichtlineare Wechselwirkung. Ye erklärte:

“Die meisten nützlichen Wechselwirkungen im Quantencomputing kommen aus der nichtlinearen Kopplung von Licht und Materie. Wenn Sie eine vielseitigere Palette von verschiedenen Arten von Kopplung erhalten und die Kopplungsstärke erhöhen, können Sie im Wesentlichen die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Quantencomputers erhöhen.”

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

Die Innovationen der SQMS-Nanofabrication-Taskforce haben Kohärenzzeiten von bis zu 0,6 Millisekunden erreicht², was das Ergebnis einer optimierten Qubit-Design und verbesserten Leseresonatoren war, 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 näher an die Realität heranzubringen.

Inmitten all dieser Initiativen, um skalierbare, fehlertolerante Quantencomputer zu bauen, haben Physiker an der University of Oxford einen neuen Weltrekord für die Genauigkeit von Qubit-Operationen aufgestellt.

Ein neuer globaler Benchmark für Quantengenauigkeit

Die neue Studie, veröffentlicht in Physical Review Letters³, zeigt, dass die Oxford-Physiker eine Fehlerrate von nur 0,000015 % für eine einzelne Quantenlogikoperation erreicht haben.

Das bedeutet einen Fehler in 6,7 Millionen Operationen, was ein neuer Rekord für die Genauigkeit von Qubit-Operationen ist und ein großer Schritt in Richtung robusterer und nützlicherer Quantencomputer ist, um komplexe Probleme mit weniger physikalischen Qubits und geringeren Infrastrukturanforderungen zu lösen.

“Soweit wir wissen, ist dies die genaueste Qubit-Operation, die jemals auf der ganzen Welt aufgezeichnet wurde. Es ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Bau praktischer Quantencomputer, die reale Probleme lösen können.”

– Der Co-Autor der Studie, Professor David Lucas, Department of Physics, University of Oxford

Was interessant ist, ist, dass dieser Durchbruch den vorherigen Rekord bricht, der von demselben Team aufgestellt wurde. Der neue Rekord ist etwa siebenmal genauer als der vorherige.

Vor über einem Jahrzehnt implementierte⁴ das Team alle Einqubit-Operationen mit Fidelitäten, die weit über dem Mindestschwellenwert für fehlertolerantes Quantencomputing lagen, indem es ein Qubit mit einem gefangenen Ion verwendete, das in Hyperfein-“Atomuhr”-Zuständen gespeichert wurde.

Zu dieser Zeit lag die Fehlerrate für Einqubit-Operationen bei 1 zu 1 Million.

Dieser Erfolg führte zur Gründung des Spin-out-Unternehmens Oxford Ionics im Jahr 2019, das zu einem Leader in Hochleistungs-Qubit-Plattformen für gefangene Ionen wurde. Im Mai 2025 skizzierte es drei kurzfristige Entwicklungsphasen: “Grundlagen”, “Unternehmensklasse” und “Wert im großen Maßstab”, um innerhalb der nächsten drei Jahre einen breiten kommerziellen Wert zu erzielen und Geräte mit einer Million Qubits zu liefern. Vor kurzem schloss Oxford Ionics eine Vereinbarung mit IonQ (IONQ ) zu dessen Übernahme für 1,075 Milliarden Dollar.

Jetzt hat das gleiche Team einen neuen Meilenstein bei der Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Quantenlogikgattern erreicht, die Fehler machen.

Um nützliche Berechnungen auf einem Quantencomputer durchzuführen, müssen Millionen von Operationen auf vielen Qubits durchgeführt werden. Aber diese Größenordnung bedeutet, dass eine hohe Fehlerrate das Endresultat sinnlos und nutzlos machen kann.

Die Korrektur des Fehlers kann den Fehler beheben, aber das erfordert noch mehr Qubits. Durch die Reduzierung des Fehlers reduziert die neue Studie die Anzahl der benötigten Qubits, was wiederum die Größe und den Aufwand für den Quantencomputer verringert.

“Indem wir die Fehlerwahrscheinlichkeit drastisch reduzieren, reduziert diese Arbeit die Infrastrukturanforderungen für die Fehlerkorrektur erheblich und ebnet den Weg für zukünftige Quantencomputer, die kleiner, schneller und effizienter sein können. Die präzise Kontrolle von Qubits wird auch für andere Quantentechnologien wie Uhren und Quantensensoren nützlich sein”, sagte die Co-Autorin der Studie, Molly Smith, die an der University of Oxford promoviert.

Um das beispiellose Maß an Genauigkeit zu erreichen, verwendeten die Physiker ein gefangenes Calciumion als Quantenbit oder Qubit.

Calciumionen werden häufig verwendet, um Quanteninformation zu speichern, da sie lange Kohärenzzeiten und hohe Fidelität bei Quantenoperationen aufweisen. Sie sind auch sehr robust und leicht mit Lasern zu manipulieren.

Das Oxford-Team verwendete jedoch nicht den herkömmlichen Laseransatz, sondern stattdessen elektronische (Mikrowellen-)Signale, um den Quantenzustand der Calciumionen zu steuern.

Mit dieser Technik konnten sie eine größere Stabilität als mit der Lasersteuerung erzielen. Aber das ist nicht alles. Im Vergleich zu Lasern ist die elektronische Steuerung auch billiger und robuster. Sie ist auch einfacher in Ion-Fallen-Chips zu integrieren.

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

So konnten das Team den Fehler um fast eine Größenordnung reduzieren, indem es die Amplitude und die Detuning der Mikrowellen mit automatisierten Kalibrierungsverfahren besser kontrollierte. Zusätzlich trug die verringerte Anregung von Beobachterübergängen durch größere Zeeman-Aufspaltungen sowie die Verwendung von Pulsformen zu diesem Ergebnis bei.

Der rekordbrechende Präzisionsgrad ist eine enorme Leistung; jedoch ist er nur ein Teil einer größeren Herausforderung. Wie das Team feststellte, erfordert das Quantencomputing sowohl Ein- als auch Zweiqubit-Gates, die zusammenarbeiten, und Zweiqubit-Gates leiden immer noch unter hohen Fehlerraten.

Derzeit liegt die beste Fehlerrate bei etwa 1 zu 2000, also muss das Team diese Zahl senken, um einen vollständig fehlertoleranten Quantencomputer zu bauen.

Hohe Fidelitäts-Einqubit-Operationen haben jedoch viele Anwendungen, sowohl in der Quanteninformation als auch darüber hinaus, einschließlich des Schutzes “inaktiver” Qubits durch dynamische Entkopplung, in Quantensensananwendungen und in kompositorischen Pulsfolgen, um einzelne Qubits anzusprechen und Fehler zu kompensieren.

Investitionen in Quantencomputing

International Business Machines Corporation (IBM ), die für ihre Hybrid-Cloud- und KI-Plattformen sowie Beratungs- und Infrastrukturdienstleistungen bekannt ist, erforscht die Quantentechnologie seit den 1970er Jahren. Im Jahr 2016 startete sie die IBM Quantum Experience, die den ersten Quantenprozessor in die Cloud brachte und ihn für alle zugänglich machte.

IBM (IBM )

In den letzten Jahren setzte IBM seine Forschung auf dem Gebiet fort und kündigte letzte Woche an, bis 2029 einen praktischen Quantencomputer bereitzustellen.

Der fehlertolerante Quantencomputer mit 200 logischen Qubits, der “Starling” genannt wird, soll in einem Rechenzentrum in Poughkeepsie, New York, gebaut werden.

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

“Wir haben die wissenschaftlichen Fragen beantwortet. Sie brauchen kein Wunder mehr. Jetzt brauchen Sie eine große Herausforderung in der Ingenieurwissenschaft. Es gibt keine Neuerfindung von Werkzeugen oder so etwas.

Wenn wir uns den Marktwert von 257,64 Milliarden Dollar ansehen, liegt der Aktienkurs von IBM derzeit bei 278 und ist seit Jahresbeginn um 26,11 % gestiegen. Der Aktienkurs von IBM erreichte tatsächlich letzte Woche mit 281,75 einen Allzeithoch.

Dabei liegt der Gewinn pro Aktie (TTM) bei 5,85 und das Kurs-Gewinn-Verhältnis (TTM) bei 47,42, während die Dividendenrendite 2,42 % beträgt.

Wenn es um IBMs Finanzen geht, erzielte das Unternehmen im ersten Quartal 2025 einen Umsatz von 14,5 Milliarden Dollar. Der GAAP-Bruttogewinnmarge betrug während dieses Zeitraums 55,2 %, während die nicht GAAP-bereinigte Betriebsgewinnmarge 56,6 % betrug. Der GAAP-Vorsteuer-Gewinnmarge betrug 8 %, und die nicht GAAP-Betriebsmarge betrug 12 %.

“Wir haben die Erwartungen für Umsatz, Rentabilität und freien Cashflow im Quartal übertroffen, angeführt von der Stärke in unserem Software-Portfolio. Es gibt weiterhin eine starke Nachfrage nach generativer KI, und unser Bestand an Geschäften liegt bei über 6 Milliarden Dollar, was um über 1 Milliarde Dollar im Quartal gestiegen ist.”

– CEO Arvind Krishna

Im ersten Quartal dieses Jahres betrug der aus der Betriebstätigkeit generierte Netto-Cash-Flow 4,4 Milliarden Dollar, während der freie Cash-Flow 2 Milliarden Dollar betrug. IBM beendete das Quartal mit 17,6 Milliarden Dollar an Bargeld, gebundenem Bargeld und marktfähigen Wertpapieren.

Die starke Liquiditätsposition und der solide Cash-Flow ermöglichten es dem Unternehmen, 1,5 Milliarden Dollar an die Aktionäre in Form von Dividenden zurückzugeben. Es investierte auch 7,1 Milliarden Dollar in Akquisitionen, darunter den Kauf von HashiCorp. Laut Krishna:

“Wir bleiben optimistisch hinsichtlich der langfristigen Wachstumschancen für Technologie und die Weltwirtschaft.”

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

Fazit: Die nächsten Schritte auf dem Weg zur Quantenrealität

Von Wissenschaftlern bis hin zu Unternehmen und Regierungen ist jeder aktiv und tief in die Verwirklichung von Quantencomputern involviert. Die neuesten Durchbrüche des Oxford-Teams und der Technologie-Riesen verbessern die Qubit-Fidelität und die Fehlerkorrektur erheblich, was bedeutet, dass der nächste Quantensprung nicht mehr Jahrzehnte entfernt ist und praktische Quantenmaschinen unvermeidlich sind!

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Referenzierte Studien:

^{1. Google Quantum AI und Mitarbeiter. Quantenfehlerkorrektur unter der Oberfläche des 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: Auf dem Weg zur Herstellung von Hochkohärenz-Supraleitern. Konferenz, 20. September 2024. https://doi.org/10.2172/2462792}

^{3. Smith, M. C.; Leu, A. D.; Miyanishi, K.; et al. Ein-Qubit-Gates mit Fehlern auf dem 10⁻⁷-Niveau. 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. Hochpräzise Vorbereitung, Gates, Speicher und Ausgabe eines gefangenen Ion-Quantenbits. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 220501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501}