Skalierung von Quantencomputern mit Einzelatom-Qubits

Einzelatom-Qubits: Eine neue Ära des Quantencomputings

Quantencomputer sind außerordentlich komplexe Maschinen, die winzige Abweichungen im Verhalten einzelner Atome für Berechnungen ausnutzen. So ermöglichen sie neue Erkenntnisse über die Natur des Universums auf atomarer und individueller Teilchenebene und geben gleichzeitig Aufschluss über diese.

Solche Erkenntnisse werden wahrscheinlich für den Bau von Quantencomputern im großen Maßstab erforderlich sein, denn je komplexer das System ist, desto schwieriger ist es, es groß genug für den praktischen Einsatz zu bauen.

Forschern der Universität Sydney in Australien ist es kürzlich gelungen, mehrere Quantenberechnungsdaten in einem einzigen Atom zu kodieren und damit möglicherweise die physikalische Größe von Qubits in Quantencomputern (dem Quantenäquivalent der Bits „normaler“ Computer) zu revolutionieren.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics¹, unter dem Titel "Universelles Quantengatter-Set für logische Gottesman-Kitaev-Preskill-Qubits".

Qubit zuverlässig machen

Derzeit werden Qubits entweder durch eine Methode namens „gefangene Ionen“ oder durch die Verwendung ultrakalter supraleitender Materialien hergestellt.

Quelle: Forbes

Beide Methoden haben ihre Grenzen:

• Die gefangenen Ionen enthalten zwar nur eine Handvoll Qubits, sind dafür aber zuverlässiger und produzieren weniger Fehler.
• Die supraleitenden Materialien verfügen über mehr Qubits und lassen sich voraussichtlich leichter skalieren, sind jedoch fehleranfälliger.

In beiden Fällen beeinflusst die Fehlerrate das Verhältnis von physikalischen zu logischen Qubits oder die Menge an physikalischen Qubits, die aus rechnerischer Sicht zum Erstellen eines funktionsfähigen Qubits erforderlich ist.

Mit der Anzahl nützlicher (oder logischer) Qubits steigt auch die Zahl der benötigten physikalischen Qubits. Bei zunehmender Skalierung wird die schiere Anzahl der Qubits, die zur Herstellung einer brauchbaren Quantenmaschine benötigt werden, zu einem technischen Albtraum.

Daher ist es derzeit vielleicht die wichtigste Aufgabe der Forscher auf diesem Gebiet, Quantencomputer fehlerresistenter zu machen, da dies das Haupthindernis für den Bau nützlicher Quantencomputer im großen Maßstab beseitigen würde.

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Verkleinerung von Qubits

Die australischen Forscher verwendeten ein Quantencomputersystem mit gefangenen Ionen (mit einem geladenen Ytterbiumatom) und eine Form der Datenkodierung namens Gottesman-Kitaev-Preskill-Code (GKP).

GKP ist ein Codetyp, der zur Korrektur von Fehlern in Quantencomputern beitragen soll. Doch die praktische Erstellung eines solchen Codes war bisher schwierig.

Der Schlüssel liegt darin, ein „Logikgatter“ zu schaffen, einen Informationsschalter, der die Programmierung von Computern – Quantencomputern und klassischen Computern – ermöglicht.

Mithilfe einer Quantenkontrollsoftware, die von Q-CTRL, einem Spin-off-Start-up-Unternehmen des Quantum Control Laboratory, entwickelt wurde, kodierten die Forscher die Daten in einem einzelnen Atom in 3D.

Im Wesentlichen werden zwei Datensätze als Schwingung eines einzelnen Atoms gespeichert, ein Satz als Schwingung von „links nach rechts“ und einer als Schwingung von „oben und unten“.

„Im Grunde speichern wir zwei fehlerkorrigierbare logische Qubits in einem einzigen gefangenen Ion und demonstrieren die Verschränkung zwischen ihnen.

Vassili Matsos – Doktorand an der School of Physics und Sydney Nano

Aufbau eines Einzelatom-Logikgatters

Um dieses Kunststück der Quantenphysik zu vollbringen, verwendeten sie eine komplexe Anordnung von Lasern bei Raumtemperatur, um das einzelne Atom in der Falle zu halten, wodurch seine natürlichen Schwingungen kontrolliert und zur Erzeugung der komplexen GKP-Codes genutzt werden konnten.

Quelle: Naturphysik

Der Aspekt „Raumtemperatur“ ist sehr wichtig, da er die Durchführung grundsätzlich einfacher und kostengünstiger macht als die supraleitenden Quantencomputer, die Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und flüssiges Helium erfordern.

„Unsere Experimente haben die erste Realisierung eines universellen logischen Gattersatzes für GKP-Qubits gezeigt.

Dies ist uns gelungen, indem wir die natürlichen Schwingungen oder harmonischen Oszillationen eines gefangenen Ions präzise gesteuert haben, sodass wir einzelne GKP-Qubits manipulieren oder als Paar verschränken können.“

Dr. Tingrei Tan - Nano-Institut der Universität Sydney

Auf dem Weg zu skalierbaren Quantencomputern

Es ist die Kombination aus Raumtemperaturregelung, einem Einzelatom-Logikgatter und einem Fehlerreduktionscode, die diese Entdeckung so wichtig macht.

Zusammen ebnet dies den Weg für einen neuen Typ von Quantencomputern mit gefangenen Ionen, der viel einfacher zu bauen und zu skalieren sein könnte.

„Unsere Experimente haben einen wichtigen Meilenstein erreicht und gezeigt, dass diese hochwertigen Quantenkontrollen ein wichtiges Werkzeug zur Manipulation von mehr als nur einem logischen Qubit darstellen.

Durch die Demonstration universeller Quantengatter unter Verwendung dieser Qubits verfügen wir über eine Grundlage, um auf eine groß angelegte Quanteninformationsverarbeitung mit hoher Hardware-Effizienz hinzuarbeiten.“

Dr. Tingrei Tan - Nano-Institut der Universität Sydney

Parallel dazu wurden kürzlich mehrere neue Entdeckungen gemacht, die das Potenzial der Vernetzung von Quantencomputern unter Beweis stellen. Wenn jeder Computer leistungsfähiger wird und Quantennetzwerke der Realität immer näher kommen, könnte dies zu einer explosionsartigen Zunahme der nutzbaren Qubit-Kapazität führen.

Quantencomputer erschließen neue physikalische Erkenntnisse

Dank ihrer enormen Kapazität zur Lösung komplexer Probleme, die mit Binärcomputern zu schwer zu berechnen sind, werden hochskalierte Quantencomputer wahrscheinlich die Kryptografie und die wissenschaftliche Forschung revolutionieren.

Aber es könnte Physikern indirekt auch einen völlig neuen Weg zur Erforschung des Quantenbereichs eröffnen.

Dies geht aus Analysen hervor, die Forscher der Princeton University, der Cornell University, der Purdue University, der University of Nottingham (Großbritannien), der Technischen Universität München (Deutschland) und von Google Research an Googles Quantencomputern durchgeführt haben, wie aus einer neuen Veröffentlichung in Nature hervorgeht.²mit dem Titel „Visualisierung der Dynamik von Ladungen und Strings in (2 + 1)D-Gitter-Eichtheorien".

Messung der Eichtheorie

Der Google-Quantencomputer ermöglicht es Forschern, mit der sogenannten „Gitter-Eichtheorie“ (LGT) zu experimentieren und sie zu testen. Dabei handelt es sich um eine Art Quantenfeldtheorie, die die Existenz von Eichfeldern (Felder, die Kräfte vermitteln, wie das elektromagnetische Feld) und Eichbosonen (die Elementarteilchen, die diese Kräfte übertragen) postuliert.

Quelle: Nature

Das Team zeigte, wie sich Partikel und die unsichtbaren „Fäden“, die sie verbinden, verhalten, schwanken und sogar brechen.

Quelle: Nature

Die Forscher bestätigten in dieser Studie, dass diese „Strings“ in Quantencomputern gemessen und beobachtet werden konnten.

„Wir haben die Leistung des Quantenprozessors genutzt, um die Dynamik einer bestimmten Art von Eichtheorie zu untersuchen und zu beobachten, wie sich Teilchen und die unsichtbaren ‚Strings‘, die sie verbinden, im Laufe der Zeit entwickeln.“

Pedram Roushan - Google Quanten-KI

Durch die Schaffung sehr kontrollierter Situationen zur Beobachtung von Quanteneffekten, ohne dass dafür die sehr hohen Energieniveaus von Teilchenbeschleunigern erforderlich wären, wird deutlich, dass Quantencomputer zu Schlüsselinstrumenten der physikalischen Grundlagenforschung werden könnten.

„Unsere Arbeit zeigt, wie Quantencomputer uns helfen können, die grundlegenden Regeln zu erforschen, die unser Universum bestimmen.

Indem wir diese Wechselwirkungen im Labor simulieren, können wir Theorien auf neue Weise testen.“

Michael Knap, Professor für Kollektive Quantendynamik an der Fakultät für Naturwissenschaften der TUM

Die Zukunft skalierbarer Quantencomputer

Das Potenzial von Quantencomputern ist noch nicht vollständig erforscht, da sie regelmäßig von ihren Grundprinzipien her neu erfunden werden – ähnlich wie die ersten Computer von Lochkarten zu Vakuumröhren und schließlich zu Siliziumtransistoren wechselten. Nur dass sich die Entwicklung deutlich schneller vollzieht.

Dies bedeutet, dass wir schon sehr bald große Fortschritte bei der Herstellung größerer, leistungsfähigerer Quantencomputer sehen könnten, die für noch größere Kapazitäten auch miteinander vernetzt werden könnten.

Dies könnte nicht nur den Weg zu deutlich höheren Rechenkapazitäten ebnen, sondern auch zu einem völlig neuen Verständnis der Materie und der Quantenphysik, beispielsweise mit einem völlig neuen Materiezustand wie der kürzlich von Microsoft-Quantencomputerteams demonstrierte „topologische Zustand“ (Majorana-1-Chip).

In Quantencomputing investieren

Honeywell / Quantinuum

Während Googles Quantencomputer möglicherweise neue Erkenntnisse zur Theorie der Quantenphysik liefern könnte, scheint die Entdeckung eines potenziellen 1-Atom-Qubits mithilfe der Ionenfalle-Technologie diese Methode der kommerziellen Realisierbarkeit deutlich näher zu bringen als supraleitende Quantencomputer.

Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum.

Honeywell bleibt Mehrheitsaktionär des Unternehmens (wahrscheinlich 52 % der Anteile) nach einer Finanzierungsrunde mit einem Wert von 5 Milliarden DollarGründer Ilyas Khan soll rund 20 % des Unternehmens besitzen. Weitere Anteilseigner sind JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM und JP Morgan.

Ein möglicher Börsengang von Quantinuum in der Zukunft, möglicherweise als Teil einer größeren Unternehmensumstrukturierung, wird auf einen Wert von bis zu 20 Milliarden Dollar geschätzt , könnte zwischen 2026 und 2027 eintreten.

Quantencomputing ist nicht der zentrale Teil des Geschäfts von Honeywell, sondern konzentriert sich eher auf Produkte in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automatisierung sowie Spezialchemikalien und -materialien.

Jeder dieser Bereiche könnte jedoch vom Quantencomputing profitieren, insbesondere Computerchemie und Quanten-Cybersicherheit, was Honeywell möglicherweise einen Vorteil gegenüber seinen Konkurrenten verschafft.

Das Hauptmodell des Unternehmens ist derzeit der H2, ein 56-Qubit-Chip mit gefangenen Ionen und einer Zwei-Qubit-Gate-Genauigkeit von 99.895 %.

Das Unternehmen strebte nach qualitativ hochwertigem Computing mit sehr geringer Fehlerquote und hat nicht nur so viele Qubits wie möglich hinzugefügt, sondern auch ein sogenanntes „fehlertolerantes Quantencomputing“ geschaffen.

Dieser Ansatz wird vom Unternehmen als „Bessere Qubits, bessere Ergebnisse“ bezeichnet, wobei mit einer ähnlichen Anzahl von Qubits 100- bis 1,000-mal zuverlässigere Ergebnisse erzielt werden.

Quelle: Quantum

Dies könnte einen bemerkenswerten Unterschied in der dringend benötigten quantenresistenten Kryptographie machen, wobei das Verteidigungsunternehmen Thales (HO.PA -fünfzehn%) arbeitet bereits mit Quantinuum zusammen und auch die die internationalen Banken HSBC , JP Morgan.

Quantinuum bietet auch seine proprietäre Quantencomputerchemie an InQuanto, nutzbar für Anwendungen in den Bereichen Pharmazie, Materialwissenschaften, Chemie, Energie und Luft- und Raumfahrt.

Wie viele andere Unternehmen im Bereich Quantencomputer, Quantinuum bietet Helios, eine „Hardware-as-a-Service“, sodass Benutzer vom Quantencomputing profitieren können, ohne sich selbst mit der Komplexität des Systembetriebs befassen zu müssen.

Quantinuum unterzeichnete im November 2024 eine Partnerschaft mit dem deutschen Unternehmen Infineon, Europas größter Halbleiterhersteller. Infineon wird seine integrierte Photonik- und Steuerelektronik-Technologie einbringen, um die nächste Generation von Quantencomputern mit Ionenfallen zu entwickeln.

Da die integrierte Photonik immer praktischer wird, ist nun klar, wie wichtig diese Partnerschaft für die Zukunft von Quantinuum sein könnte. Der nächste Schritt für das Unternehmen scheint die Veröffentlichung des weltweit ersten KI-fokussierten Photonik-Quantenchips zu sein.

In den kommenden Monaten wird Quantinuum Ergebnisse aus laufenden Kooperationen veröffentlichen und das bahnbrechende Potenzial quantenbasierter Fortschritte in der generativen KI demonstrieren.

Die innovative Gen-QAI-Funktion wird die Verwendung metallischer organischer Gerüste für die Arzneimittelverabreichung verbessern und beschleunigen und so den Weg für effizientere und personalisiertere Behandlungsmöglichkeiten ebnen. Einzelheiten werden bei der Markteinführung von Helios bekannt gegeben.

Quantinuum verkündet Durchbruch bei generativer Quanten-KI mit enormem kommerziellen Potenzial

Weitere laufende Anwendungsfälle könnten den zukünftigen Wert des Unternehmens und damit auch Honeywells Anteil daran sowie den potenziellen Gewinn, den Investoren daraus erzielen könnten, stark steigern.

(Sie können mehr darüber lesen die übrigen industriellen Aktivitäten von Honeywell in den Bereichen Automatisierung, Luft- und Raumfahrt und fortschrittliche Materialien im Unternehmensbericht).

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Zitierte Studien

<sup>1. Matsos, VG, Valahu, CH, Millican, MJ et al. Universeller Quantengattersatz für logische Gottesman-Kitaev-Preskill-Qubits. Natur. Physik. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, TA, Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualisierung der Dynamik von Ladungen und Strings in (2 + 1)D-Gitter-Eichtheorien. Natur 642, 315-320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9</sup>