Millisekunden-Qubits markieren einen Durchbruch in der Quantentechnologie

Durchbruch bei supraleitenden Qubits im Millisekundenbereich

Quantencomputer könnten die Art und Weise, wie wir Kryptographie betreiben, komplexe Simulationen wie die 3D-Konfiguration von Proteinen berechnen und wahrscheinlich noch viele weitere Anwendungen haben, von denen wir heute nur erahnen.

Für ihre Funktion benötigen sie möglichst stabile „Qubits“, die grundlegenden Elemente des Quantencomputings. Bislang ist es nur Quantencomputern mit gefangenen Ionen gelungen, hochstabile Qubits zu erzeugen. Diese Technologie ist jedoch prinzipiell schwieriger zu skalieren als supraleitende Qubits.

Supraleitende Qubits könnten zwar die Zukunft dieser Technologie sein, doch ist eine Verbesserung der Stabilität der Kohärenzzeit ihrer Qubits erforderlich.

Genau das ist einem großen Forscherteam der Princeton University nun gelungen. Sie haben eine Art supraleitender Qubits entwickelt, die ihre Kohärenz länger als eine Millisekunde aufrechterhalten können – dreimal länger als der bisherige Rekord.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature.¹, unter dem Titel "Millisekundenlebensdauern und Kohärenzzeiten in 2D-Transmon-Qubits".

Die Kohärenzgrenze des Qubits

Für Quantenberechnungen 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 innerhalb von Nanosekunden.

Unter besonderen Bedingungen, wie beispielsweise extrem niedrigen Temperaturen, kann die Lebensdauer eines Qubits verlängert werden. Dennoch stellt die ausreichende Kohärenz eine wesentliche Einschränkung für die meisten Quantencomputer dar, was zu Berechnungsfehlern führt, die nicht nur die gesamte Rechenleistung verringern, sondern sich auch nicht ohne Weiteres durch Software-Updates kompensieren lassen.

Die Bestimmung des Materials, das die Kohärenz über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann, ist daher ein wichtiger Schritt, der vor Erreichen der kommerziellen Phase für die Quantencomputerindustrie unternommen werden muss.

„Die eigentliche Herausforderung, das, was uns heute noch daran hindert, brauchbare Quantencomputer zu haben, besteht darin, dass die Information in einem Qubit nicht sehr lange erhalten bleibt.“

Dies ist der nächste große Schritt nach vorn.“

Andrew Houck, Dekan der Ingenieurwissenschaften in Princeton

Wie Forscher die Transmon-Qubit-Kohärenz erweiterten

Die Forscher verwendeten die gleichen supraleitenden Qubits, die auch von Firmen wie Google oder IBM in ihren eigenen Quantencomputern eingesetzt werden. tRansomware-Qubits.

Transmon-Qubits zeichnen sich durch hohe Genauigkeit (Gattergenauigkeit einzelner Qubits über 99.9 %), die Möglichkeit der Massenproduktion und hohe Kohärenzzeiten von 0.1 Millisekunden aus.

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

Als die Forscher aus Princeton verkündeten, es sei ihnen gelungen, ein Qubit mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 1.68 ms zu erzeugen, stellte dies eine massive Verbesserung dar.

Quelle: Nature

Dies ist eine Qubit-Dauer, die 3x länger ist als die des bisher besten im Labor erzeugten Qubits und 15x stärker als diejenige, die von privaten Unternehmen bei der Entwicklung von Quantencomputern verwendet wird.

Warum Tantal und Silizium die Quantenkohärenz verbessern

Tantal verstärkt die Kohärenz

Um dieses Ergebnis zu erzielen, nutzten die Forscher zwei verschiedene Verbesserungen des verwendeten Materials.

Zunächst verwendeten sie ein Metall namens Tantal als Basisschicht, um die empfindlichen Schaltkreise beim Energieerhalt zu unterstützen. Dies liegt daran, dass winzige, verborgene Oberflächenfehler im Metall Energie einfangen und absorbieren können, während diese sich bewegt.

Besonders problematisch wird es, wenn einem Chip immer mehr Qubits hinzugefügt werden, da sich diese Art von Fehler so stark vermehrt, dass der Chip ab einer bestimmten Anzahl unbrauchbar wird.

Mithilfe der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) konnte die hochgradig regelmäßige Struktur der kubischen Tantalkristalle bestätigt werden.

Quelle: Nature

Im Vergleich zu Metallen wie Aluminium weist Tantal deutlich weniger Defekte auf und ist sehr beständig gegenüber aggressiven Reinigungsverfahren zur Entfernung von Verunreinigungen.

„Man kann Tantal in Säure geben, und trotzdem verändern sich die Eigenschaften nicht.“

Faranak Bahrami – Forschung an der Princeton University

Das direkte Aufwachsen von Tantal auf Silizium stellte eine Herausforderung dar, deren Bewältigung umfangreiche Anstrengungen erforderte.
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Silizium ersetzt Saphir

Eine weitere Quelle für Energieverluste, die zum Verlust der Kohärenz führen, ist das in Quantenchips verwendete Saphirsubstrat.

Stattdessen verwendeten die Forscher hochwertiges (hochohmiges) Silizium, ein gängiges Standardmaterial der traditionellen Computerindustrie.

Zusammengenommen führten diese Verbesserungen der in dieser Tantal-auf-Silizium-Plattform verwendeten Materialien dazu, dass die resultierenden Einzel-Qubit-Gatter eine Genauigkeit von 99.994 % erreichten.

Vom Labordurchbruch zu skalierbaren Quantenchips

Die Forscher nutzten ihre Methode anschließend, um einen voll funktionsfähigen Quantenchip zu bauen, der alle bisherigen Konstruktionen übertrifft.

Da die Fehlerrate multiplikativ ist, skaliert diese Art von Verbesserung exponentiell mit der Systemgröße. Folglich hat die 10- bis 15-fache Verbesserung der Fehlerrate für einzelne Qubits einen wesentlich größeren Effekt auf einen Multi-Qubit-Computer.

Wichtig ist, dass es sich bei einem solchen Qubit nicht um ein exotisches neues Konzept handelt, sondern lediglich um ein „traditionelles“ supraleitendes Qubit, das aus einem anderen Material besteht. Daher können sie problemlos in bestehende Quantencomputer integriert und von bestehender Quantencomputer-Software verwendet werden.

„Der Einbau der Princeton-Komponenten in Googles besten Quantenprozessor namens Willow würde dessen Leistung um das 1,000-fache steigern.“

Die Vorteile des Princeton-Qubits nehmen mit der Systemgröße exponentiell zu, daher würde das Hinzufügen weiterer Qubits einen noch größeren Nutzen bringen.“

Andrew Houck, Dekan der Ingenieurwissenschaften in Princeton

Das bedeutet, dass der Entwurf von Princeton es einem hypothetischen 1,000-Qubit-Computer ermöglichen könnte, etwa 1 Milliarde Mal besser zu arbeiten.

Noch besser ist, dass die Verwendung von Tantal und Silizium bedeutet, dass das Herstellungsverfahren zu den bereits in der Halbleiterindustrie eingesetzten Verfahren passt, wodurch die Massenproduktion ein viel einfacher zu erreichender Meilenstein ist als eine völlig neue Technologie.

Diese Forschung scheint darauf hinzudeuten, dass Silizium-Quantenchips, die wir zuvor besprochen habensind wahrscheinlich die richtige Richtung für die Quantencomputerindustrie.

Zusammen mit bessere Quantenlichtquellen Hybride Quantenphotonik-Chips und die Möglichkeit, Quanteninformationen zusammen mit normalen Telekommunikationsdaten zu übertragenDiese Schritte hin zu wesentlich größeren Quantencomputern zeigen, dass die Technologie schnell die kommerzielle Reife erreicht.

Investitionen in Quantencomputer-Innovationen

1. Alphabet Inc.

Google ist im Bereich des Quantencomputings sehr aktiv, vor allem durch seine Google Quantum AI-Labor und Quantum AI-Campus in Santa Barbara.

Googles Quantencomputer schrieb 2019 Geschichte, als das Unternehmen mit seiner Sycamore-Maschine die „Quantenüberlegenheit“ erreicht haben wollte. Die Maschine führte eine Berechnung in 200 Sekunden durch, für die ein herkömmlicher Supercomputer 10,000 Jahre benötigt hätte.

Dies wird nun in den Schatten gestellt durch Die Leistung des neuesten Chips, genannt WillowDies ist der allererste Quantencomputer-Chip mit einer so geringen Fehlerrate, dass die Fehlerrate mit zunehmender Anzahl an Qubits sinkt. Damit ist er der erste skalierbare Quantenchip überhaupt.

Aber vielleicht liegt der größte Beitrag von Google im Bereich Software, einem Gebiet, in dem das Unternehmen eine beeindruckende Erfolgsbilanz vorweisen kann, die sogar noch besser ist als im Hardwarebereich (Suche, G Suite, Android usw.).

Googles Quantum AI stellt bereits eine Software-Suite zur Verfügung, die Wissenschaftler bei der Entwicklung von Quantenalgorithmen unterstützen soll.

Sie plädiert auch offen für „Forscher, Ingenieure und Entwickler können uns auf dieser Reise begleiten, indem sie sich unsere Open Source Software und Bildungsressourcen, einschließlich unserer neuer Kurs auf Coursera, wo Entwickler die Grundlagen der Quantenfehlerkorrektur erlernen und uns dabei helfen können, Algorithmen zu erstellen, die die Probleme der Zukunft lösen können."

Dank dieses offenen Ansatzes ist Google heute sowohl bei Hardware als auch bei Cloud-Lösungen führend. Google könnte zu den Unternehmen gehören, die die Standards für Quantencomputersoftware und Quantenprogrammierung setzen, und hat damit eine privilegierte Position, die zukünftige Entwicklung dieses Bereichs zu prägen.

Unterdessen könnten KI-Lösungen, darunter das selbstfahrende Auto von Waymo, zum neuen Umsatztreiber für Alphabet werden, das in der Such- und Anzeigenbranche immer noch eine massiv dominante Stellung einnimmt.

Sie können mehr über Googles Aktivitäten abseits der Quantentechnologie erfahren, insbesondere über Werbung und KI. in unserem speziellen Bericht vom Dezember 2024.

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Alphabet-Aktie (GOOGL).

Zitierte Studie:

^{1. Bland, MP, Bahrami, F., Martinez, JGC et al. Millisekundenlebensdauern und Kohärenzzeiten in 2D Transmon-Qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}