Millisekunden‑Qubits markieren einen Durchbruch in der Quantentechnologie

Durchbruch bei Millisekunden‑Skala supraleitenden Qubits

Quantum‑Computer könnten die Art und Weise, wie wir Kryptographie durchführen, komplexe Simulationen wie die 3‑D‑Konfiguration von Proteinen berechnen, revolutionieren und wahrscheinlich noch viele weitere Anwendungen ermöglichen, die wir heute kaum erahnen.

Um zu funktionieren, benötigen sie möglichst stabile „Qubits“, das grundlegende Element der Quantenberechnung. Bisher haben nur „gefangene‑Ion“-Quantencomputer es geschafft, hochstabile Qubits zu erzeugen. Diese Technologie lässt sich jedoch inhärent schwerer skalieren als supraleitende Qubits.

Während supraleitende Qubits also die Zukunft dieser Technologie sein könnten, ist eine Verbesserung der Stabilität ihrer Kohärenzzeit erforderlich.

Genau das hat ein großes Forscherteam der Princeton University gerade erreicht. Sie haben eine Art supraleitender Qubits entwickelt, die ihre Kohärenz länger als eine Millisekunde aufrechterhalten können – das Dreifache der bisher besten gemessenen Werte.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature¹ unter dem Titel „Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits“.

Die Grenze der Qubit‑Kohärenz

Um Quantenberechnungen durchzuführen, muss ein Quantencomputer „Kohärenz“ aufrechterhalten, einen speziellen Quantenzustand, der extrem anfällig für Störungen aus der Umgebung ist. Im Allgemeinen zerstören thermisches Rauschen und Teilchenbewegungen die Kohärenz in Nanosekunden.

Unter besonderen Bedingungen, wie ultra‑kalten Umgebungen, kann die Lebensdauer eines Qubits länger sein. Dennoch bleibt eine ausreichend lange Kohärenz ein zentrales Problem der meisten heutigen Quantencomputer, was zu Rechenfehlern führt, die nicht nur die gesamte Rechenkapazität mindern, sondern auch nicht leicht durch Software‑Updates kompensiert werden können.

Daher ist die Bestimmung des Materials, das die Kohärenz länger erhalten kann, ein entscheidender Schritt, der vor dem Erreichen der kommerziellen Phase der Quantencomputing‑Industrie gemacht werden muss.

„Die eigentliche Herausforderung, das, was uns heute daran hindert, nützliche Quantencomputer zu haben, ist, dass man ein Qubit baut und die Information einfach nicht sehr lange hält.

Das ist der nächste große Sprung nach vorne.“Andrew Houck, Dekan der Ingenieurwissenschaften von Princeton

Wie die Forscher die Transmon‑Qubit‑Kohärenz verlängerten

Die Forscher nutzten die gleiche Art von supraleitenden Qubits, die Unternehmen wie Google oder IBM in ihren eigenen Quantencomputern einsetzen, Transmon‑Qubits.

Transmon‑Qubits haben den Vorteil, dass sie hochfidel sind (Einzel‑Qubit‑Gatter‑Fidelitäten über 99,9 %), in großem Maßstab produziert werden können und Kohärenzzeiten von 0,1 Millisekunden aufweisen.

Das ist vielversprechend, aber die Kohärenzzeit ist immer noch zu gering.

Als die Princeton‑Forscher dann verkündeten, ein Qubit mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 1,68 ms geschaffen zu haben, stellte das eine massive Verbesserung dar.

Quelle: Nature

Dies ist eine Qubit‑Dauer, die dreimal länger ist als die bisher im Labor erzielte Bestleistung und 15‑mal stärker als die von privaten Unternehmen entwickelten Quantencomputer‑Qubits.

Warum Tantal und Silizium die Quanten‑Kohärenz verbessern

Tantal steigert die Kohärenz

Um dieses Ergebnis zu erzielen, setzten die Forscher zwei verschiedene Verbesserungen im verwendeten Material ein.

Zunächst verwendeten sie ein Metall namens Tantal als Basisschicht, um den empfindlichen Schaltkreisen zu helfen, Energie zu bewahren. Das liegt daran, dass winzige, verborgene Oberflächendefekte im Metall Energie einfangen und absorbieren können, während sie sich bewegen.

Dies wird besonders problematisch, wenn mehr Qubits zu einem Chip hinzugefügt werden; dieser Fehlertyp multipliziert sich bis zu dem Punkt, an dem er den Chip bei einer bestimmten Anzahl unbrauchbar macht.

Zur Bestätigung der hochgradig regelmäßigen Struktur kubischer Tantal‑Kristalle wurde die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) eingesetzt.

Quelle: Nature

Im Vergleich zu Metallen wie Aluminium weist Tantal deutlich weniger Defekte auf und ist hochbeständig gegen die harten Reinigungsprozesse, die zur Entfernung von Verunreinigungen eingesetzt werden.

„Man kann Tantal in Säure geben, und die Eigenschaften ändern sich trotzdem nicht.“Faranak Bahrami – Forschung an der Princeton University

Tantal direkt auf Silizium zu züchten war eine Herausforderung, die umfangreiche Anstrengungen erforderte, um sie zu überwinden.

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Silizium ersetzt Saphir

Eine weitere Ursache für Energieverluste, die zum Verlust der Kohärenz führen, ist das Saphir‑Substrat, das in Quanten‑Chips verwendet wird.

Stattdessen nutzten die Forscher hochwertiges (hoch‑resistives) Silizium, ein gängiges Standardmaterial der traditionellen Computerindustrie.

Gemeinsam ermöglichten diese Materialverbesserungen auf der Tantal‑auf‑Silizium‑Plattform, dass die resultierenden Einzel‑Qubit‑Gatter eine Fidelität von 99,994 % erreichen.

Vom Labor‑Durchbruch zu skalierbaren Quanten‑Chips

Die Forscher setzten ihre Methode ein, um einen voll funktionsfähigen Quanten‑Chip zu bauen, der alle bisherigen Designs übertrifft.

Da die Fehlerrate multiplikativ wirkt, skaliert diese Art von Verbesserung exponentiell mit der Systemgröße. Infolgedessen hat die 10‑ bis 15‑fache Verbesserung der Fehlerrate einzelner Qubits einen viel größeren Effekt auf einen Mehr‑Qubit‑Computer.

Wichtig ist, dass ein solches Qubit kein exotisches neues Konzept ist, sondern einfach ein „traditionelles“ supraleitendes Qubit, das ein anderes Material verwendet, sodass es leicht in bestehende Quantencomputer integriert und von vorhandener Quanten‑Computing‑Software genutzt werden kann.

„Der Austausch von Princeton‑Komponenten in Googles bestem Quantenprozessor, genannt Willow, würde ihn 1.000‑mal besser funktionieren lassen.

Die Vorteile des Princeton‑Qubits wachsen exponentiell mit zunehmender Systemgröße, sodass das Hinzufügen weiterer Qubits noch größere Vorteile bringt.“Andrew Houck, Dekan der Ingenieurwissenschaften von Princeton

Das bedeutet, dass das Design von Princeton einen hypothetischen 1.000‑Qubit‑Computer etwa eine Milliarde‑mal besser arbeiten lassen könnte.

Noch besser: Der Einsatz von Tantal und Silizium bedeutet, dass die Fertigungsmethode zu den bereits in der Halbleiterindustrie verwendeten Verfahren passt, wodurch die Massenproduktion ein deutlich leichteres Ziel ist als bei einer völlig neuen Technologie.

Diese Forschung deutet darauf hin, dass Silizium‑Quanten‑Chips, wie wir zuvor diskutiert haben, wahrscheinlich der richtige Weg für die Quanten‑Computing‑Industrie sind.

Zusammen mit besseren Quanten‑Lichtquellen, hybriden Quanten‑Photonik‑Chips und der Möglichkeit, Quanteninformationen zusammen mit normalem Telekom‑Datenverkehr zu übertragen zeigen diese Schritte zu wesentlich größeren Quantencomputern, dass die Technologie schnell die kommerzielle Reife erreicht.

Investition in Innovation im Quanten‑Computing

1. Alphabet Inc.

Google ist sehr aktiv im Quanten‑Computing, vor allem über sein Google Quantum AI‑Labor und den Quantum AI‑Campus in Santa Barbara.

Googles Quantencomputer schrieb 2019 Geschichte, als er behauptete, mit seiner Sycamore‑Maschine „Quanten‑Suprematie“ erreicht zu haben. Die Maschine führte eine Berechnung in 200 Sekunden aus, die ein herkömmlicher Supercomputer in 10.000 Jahren benötigt hätte.

Dies wird jetzt von seinem neuesten Chip, genannt Willow übertroffen. Das ist der allererste Quanten‑Computer‑Chip, dessen Fehlerrate so niedrig ist, dass je mehr Qubits man hinzufügt, desto weniger Fehler auftreten. Er ist damit das allererste skalierbare Quanten‑Chip‑Design.

Aber vielleicht ist Googles größter Beitrag im Bereich Software, wo das Unternehmen eine beeindruckende Erfolgsbilanz vorweisen kann, tatsächlich besser als im Hardware‑Bereich (Suche, G‑Suite, Android usw.).

Bereits stellt Googles Quantum AI eine Suite von Software bereit, die Wissenschaftlern bei der Entwicklung von Quanten‑Algorithmen hilft.

Es wird zudem offen dafür geworben, dass „Forscher, Ingenieure und Entwickler sich uns auf dieser Reise anschließen, indem sie unsere Open‑Source‑Software und Bildungsressourcen prüfen, einschließlich unseres neuen Kurses auf Coursera, in dem Entwickler die Grundlagen der Quanten‑Fehlerkorrektur erlernen und uns dabei helfen können, Algorithmen zu erstellen, die die Probleme der Zukunft lösen.“

Dank dieses offenen Ansatzes führt Google nun sowohl im Hardware‑ als auch im Cloud‑Bereich. Google könnte eines der Unternehmen sein, die die Standards für Quanten‑Computing‑Software und Quanten‑Programmierung setzen und damit eine privilegierte Position einnehmen, um die zukünftige Entwicklung des Feldes zu steuern.

Unterdessen könnten KI‑Lösungen, einschließlich Waymos selbstfahrendem Auto, zum neuen Umsatztreiber für Alphabet werden, das nach wie vor eine massiv dominante Stellung in den Bereichen Suche & Werbung innehat.

Sie können mehr über Googles nicht‑quantum‑bezogene Aktivitäten, insbesondere Werbung und KI, in unserem speziellen Bericht vom Dezember 2024 erfahren.

Neueste Alphabet (GOOGL) Aktien‑Nachrichten und Entwicklungen

Studie referenziert:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}