Computing
Skalierung von Quantencomputern mit Einzelatom‑Qubits
Einzelatom‑Qubits: Eine neue Ära für Quantencomputing
Quantencomputer sind außerordentlich komplexe Maschinen, die winzige Variationen im Verhalten einzelner Atome für Berechnungen ausnutzen. Damit nutzen sie nicht nur diese Eigenschaften, sondern liefern auch neue Erkenntnisse über die grundlegende Natur des Universums auf atomarer und einzelner Teilchenebene.
Solche Erkenntnisse werden wahrscheinlich erforderlich sein, um Quantencomputer im großen Maßstab zu bauen, da je komplexer das System ist, desto schwieriger wird es, es groß genug für praktische Anwendungen zu konstruieren.
Forscher der University of Sydney in Australien haben kürzlich es geschafft, mehrere Quantenberechnungsdaten in einem einzigen Atom zu codieren, was das physische Volumen von Quantencomputing‑Qubits (dem quantenmechanischen Gegenstück zu den Bits herkömmlicher Computer) potenziell revolutionieren könnte.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics1 unter dem Titel „Universelles Quantengatter‑Set für Gottesman–Kitaev–Preskill‑logische Qubits“.
Qubits zuverlässig machen
Derzeit werden Qubits entweder durch ein Verfahren namens „gefangene Ionen“ oder mittels ultra‑kalter supraleitender Materialien erzeugt.
Quelle: Forbes
Beide Methoden haben ihre Einschränkungen:
- Die gefangenen Ionen enthalten nur eine Handvoll Qubits, sind jedoch zuverlässiger und erzeugen weniger Fehler.
- Die supraleitenden Materialien besitzen mehr Qubits und sollen leichter skalierbar sein, sind jedoch fehleranfälliger.
In beiden Fällen beeinflusst die Fehlerrate das Verhältnis von physischen zu logischen Qubits bzw. die Anzahl physischer Qubits, die erforderlich ist, um aus Sicht der Berechnung ein funktionierendes Qubit zu erzeugen.
Wenn die Anzahl nützlicher (oder logischer) Qubits steigt, wächst die erforderliche Anzahl physischer Qubits noch stärker. Mit zunehmender Skalierung wird die schiere Menge an Qubits, die für ein brauchbares Quantengerät nötig ist, zu einem ingenieurtechnischen Albtraum.
Daher ist es derzeit vielleicht die wichtigste Aufgabe der Forschenden, Quantencomputer fehlerresistenter zu machen, da dies das Haupthindernis beim Bau nützlicher großskaliger Quantencomputer beseitigen würde.
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| Qubit‑Typ | Skalierbarkeit | Fehlerrate | Temperatur |
|---|---|---|---|
| Gefangenes Ion | Niedrig (wenige Qubits) | Niedrig | Raumtemperatur |
| Supraleitend | Hoch | Hoch | Nahe dem absoluten Nullpunkt |
| Einzelatom (Sydney) | Potentiell hoch | Korrekturierbar mit GKP | Raumtemperatur |
Qubits verkleinern
Die australischen Forscher nutzten ein gefangenes Ion (mit einem geladenen Ytterbium‑Atom) als Quantencomputersystem und eine Form der Datenkodierung, die als Gottesman‑Kitaev‑Preskill‑Code (GKP) bezeichnet wird.
GKP ist eine Art von Code, von dem erwartet wird, dass er Fehler in Quantencomputern korrigiert. In der Praxis war die Erstellung jedoch bisher schwierig.
Der Schlüssel besteht darin, ein „Logikgatter“ zu erstellen, einen Informationsschalter, der es Computern – sowohl quanten‑ als auch klassisch – ermöglicht, programmierbar zu sein.
Mit einer von Q‑CTRL entwickelten Quanten‑Steuerungssoftware, einem Spin‑off‑Start‑up des Quantum Control Laboratory, codierten die Forscher die Daten in ein einzelnes Atom, in 3D.
Im Wesentlichen werden zwei Datensätze als Schwingungen eines einzelnen Atoms gespeichert, ein Satz als Schwingung von „links nach rechts“ und der andere als Schwingung von „oben nach unten“.
„Im Wesentlichen 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
Einzelatom‑Logikgatter bauen
Um diese Leistung der Quantenphysik zu erbringen, nutzten sie ein komplexes Lasersystem bei Raumtemperatur, um das einzelne Atom im Fang zu halten, wodurch seine natürlichen Schwingungen kontrolliert und zur Erzeugung der komplexen GKP‑Codes genutzt werden konnten.
Quelle: Nature Physics
Der Aspekt der „Raumtemperatur“ ist sehr wichtig, da er die Durchführung im Vergleich zu supraleitenden Quantencomputern, die Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und flüssigen Helium erfordern, von Natur aus einfacher und kostengünstiger macht.
„Unsere Experimente haben die erste Realisierung eines universellen logischen Gatter‑Sets für GKP‑Qubits gezeigt.
Wir erreichten dies, indem wir die natürlichen Schwingungen bzw. harmonischen Oszillationen eines gefangenen Ions präzise steuerten, sodass wir einzelne GKP‑Qubits manipulieren oder sie als Paar verschränken können.
Hin zu skalierbaren Quantencomputern
Die Kombination aus Raumtemperatur‑Steuerungen, einem Einzelatom‑Logikgatter und einem Fehlerreduktion‑Code macht diese Entdeckung so bedeutend.
Zusammen ebnet dies den Weg zu einer neuen Art von gefangenen‑Ion‑Quantencomputer, der wesentlich einfacher zu bauen und viel leichter zu skalieren sein könnte.
„Unsere Experimente erreichten einen wichtigen Meilenstein und zeigten, dass diese hochwertigen Quanten‑Steuerungen ein zentrales Werkzeug bieten, um mehr als nur ein logisches Qubit zu manipulieren.
Durch die Demonstration universeller Quantengatter mit diesen Qubits haben wir eine Grundlage geschaffen, um in Richtung großskaliger Quanten‑Informationsverarbeitung auf hocheffiziente Weise in Bezug auf Hardware voranzuschreiten.
Parallel dazu wurden kürzlich mehrere neue Entdeckungen gemacht, die das Potenzial der Vernetzung von Quantencomputern zeigen. Wenn also jeder leistungsfähiger wird und Quanten‑Netzwerke einer Realität näher kommen, könnte dies zu einer Explosion der nutzbaren Qubit‑Kapazität führen.
Quantencomputer erschließen neue Physik
Hochskalierte Quantencomputer werden voraussichtlich die Kryptografie und die wissenschaftliche Forschung revolutionieren, dank ihrer enormen Fähigkeit, komplexe Probleme zu lösen, die für binäre Computer zu schwierig sind.
Doch sie könnten auch indirekt einen völlig neuen Weg für Physiker eröffnen, das Quantenreich zu untersuchen.
Dies ergibt sich aus Analysen, die mit Googles Quantencomputern von Forschern der Princeton University, Cornell University, Purdue University, University of Nottingham (UK), Technischen Universität München (Deutschland) und Google Research durchgeführt wurden, laut einer neuen Veröffentlichung in Nature2 mit dem Titel „Visualisierung der Dynamik von Ladungen und Strings in (2 + 1)‑D-Gitter‑Gaugetheorien“.
Messung der Gaugetheorie
Der Google‑Quantencomputer ermöglicht es Forschern, mit der sogenannten „Gitter‑Gaugetheorie“ (LGT) zu experimentieren und sie zu testen, einer Art der Quantenfeldtheorie, die die Existenz von Gaugfeldern (Felder, die Kräfte vermitteln, wie das elektromagnetische Feld) und Gauge‑Bosonen (die elementaren Teilchen, die diese Kräfte tragen) postuliert.
Quelle: Nature
Das Team zeigte, wie Teilchen und die unsichtbaren „Strings“, die sie verbinden, sich verhalten, schwanken und sogar brechen.
Quelle: Nature
Die Forscher bestätigten in dieser Studie, dass diese „Strings“ in Quantencomputern gemessen und beobachtet werden können.
„Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit des Quantenprozessors untersuchten wir die Dynamik einer spezifischen Art von Gaugetheorie und beobachteten, wie Teilchen und die unsichtbaren ‚Strings‘, die sie verbinden, sich im Laufe der Zeit entwickeln.
Durch die Schaffung sehr kontrollierter Situationen, um Quanten‑Effekte zu beobachten, ohne die extrem hohen Energieniveaus von Teilchenbeschleunigern zu benötigen, wird deutlich, dass Quantencomputer zu Schlüsselwerkzeugen der Grundlagen‑physik‑Forschung werden könnten.
„Unsere Arbeit zeigt, wie Quantencomputer uns dabei helfen können, die grundlegenden Gesetze zu erforschen, die unser Universum bestimmen.
Durch die Simulation dieser Wechselwirkungen im Labor können wir Theorien auf neue Weise testen.
Michael Knap, Professor für kollektive Quantendynamik an der TUM School of Natural Sciences
Die Zukunft skalierbarer Quantencomputer
Das Potenzial von Quantencomputern ist noch nicht vollständig verstanden, da sie ständig aus ihren Grundprinzipien neu erfunden werden, ähnlich wie die ersten Computer von Lochkarten über Vakuumröhren zu Silizium‑Transistoren übergingen. Nur dass das Tempo des Wandels viel schneller ist.
Das bedeutet, dass wir sehr bald bedeutende Fortschritte bei der Herstellung größerer, leistungsfähigerer Quantencomputer sehen könnten, die möglicherweise auch miteinander vernetzt werden, um noch höhere Kapazitäten zu erreichen.
Dies könnte nicht nur den Weg zu deutlich höheren Rechenkapazitäten öffnen, sondern auch zu einem völlig neuen Verständnis von Materie und Quantenphysik, zum Beispiel zu einem völlig neuen Materiezustand wie dem kürzlich demonstrierten „topologischen Zustand“ der Microsoft‑Quantencomputing‑Teams (Majorana‑1‑Chip).
Investitionen in Quantencomputing
Honeywell / Quantinuum
(HON )
Während Googles Quantencomputer neue Einblicke in die Quantentheorie liefern könnte, scheint die Entdeckung eines potenziellen 1‑Atom‑Qubits mittels gefangener‑Ion‑Technologie diese Methode der kommerziellen Realisierbarkeit näher zu bringen als supraleitende Quantencomputer.
Quantinuum ist das Ergebnis der Fusion von Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum.
Honeywell bleibt Mehrheitsaktionär des Unternehmens (vermutlich 52 % Eigentum) nach einer Finanzierungsrunde, die das Unternehmen mit 5 Mrd. $ bewertet. Gründer Ilyas Khan soll etwa 20 % des Unternehmens besitzen. Weitere Aktionäre sind JSR Corporation, Mitsui, Amgen, IBM und JP Morgan.
Ein potenzieller Börsengang von Quantinuum in der Zukunft, möglicherweise im Rahmen einer größeren Unternehmensumstrukturierung, wird auf bis zu 20 Mrd. $ geschätzt und könnte zwischen 2026 und 2027 stattfinden.
Quantencomputing ist nicht der zentrale Geschäftsbereich von Honeywell, sondern das Unternehmen konzentriert sich stärker auf Produkte in den Bereichen Luft‑ und Raumfahrt, Automatisierung sowie Spezialchemikalien & Materialien.
Jeder dieser Bereiche könnte jedoch vom Quantencomputing profitieren, insbesondere computational chemistry und Quanten‑Cybersicherheit, was Honeywell einen Vorteil gegenüber seinen Wettbewerbern verschaffen könnte.
Das derzeitige Hauptmodell des Unternehmens ist der H2, ein gefangenes‑Ion‑Chip mit 56 Qubits und einer Zwei‑Qubit‑Gatter‑Fidelity von 99,895 %.
Das Unternehmen verfolgt das Ziel, hochqualitatives Rechnen mit sehr wenigen Fehlern zu ermöglichen, anstatt lediglich möglichst viele Qubits hinzuzufügen, und schafft so ein sogenanntes „fehlerresistentes Quantencomputing“.
Dieser Ansatz wird vom Unternehmen als „Bessere Qubits, bessere Ergebnisse“ bezeichnet, wobei eine ähnliche Anzahl von Qubits 100‑ bis 1.000‑fach zuverlässigere Resultate erzielt.
Quelle: Quantinuum
Dies könnte einen bemerkenswerten Unterschied in der dringend benötigten quantenresistenten Kryptografie bewirken, wobei das Verteidigungsunternehmen Thales (HO.PA -0,96 %) bereits mit Quantinuum zusammenarbeitet sowie die internationalen Banken HSBC und JP Morgan.
Quantinuum bietet zudem seine proprietäre Quanten‑Computational‑Chemistry InQuanto an, die für Pharmazeutika, Materialwissenschaften, Chemikalien, Energie und Luft‑ und Raumfahrtanwendungen nutzbar ist.
Wie viele andere Quantencomputing‑Unternehmen bietet Quantinuum Helios an, ein „Hardware‑as‑a‑Service“, das Nutzern ermöglicht, von Quantencomputing zu profitieren, ohne die Komplexität des Systembetriebs selbst bewältigen zu müssen.
Quantinuum unterzeichnete im November 2024 eine Partnerschaft mit dem deutschen Unternehmen Infineon, dem größten Halbleiterhersteller Europas. Infineon wird seine integrierte Photonik‑ und Steuerungselektronik‑Technologie einbringen, um die nächste Generation von gefangenen‑Ion‑Quantencomputern zu schaffen.
Da sich integrierte Photonik immer näher an praktische Anwendungsfälle annähert, wird deutlich, wie wichtig diese Partnerschaft für die Zukunft von Quantinuum sein könnte. An diesem Punkt scheint der nächste Schritt des Unternehmens die Veröffentlichung des weltweit ersten KI‑fokussierten Photonik‑Quanten‑Chips zu sein.
In den kommenden Monaten wird Quantinuum Ergebnisse aus laufenden Kooperationen teilen und das bahnbrechende Potenzial quantengetriebener Fortschritte im Bereich Generative KI demonstrieren.
Die innovative Gen‑QAI‑Fähigkeit wird die Nutzung von Metall‑organischen Gerüsten für die Medikamentenabgabe verbessern und beschleunigen, wodurch effizientere und personalisierte Behandlungsmöglichkeiten geschaffen werden, deren Details bei der Einführung von Helios enthüllt werden.
Quantinuum kündigt Durchbruch in generativer Quanten‑KI mit massivem kommerziellem Potenzial an
Weitere laufende Anwendungsfälle könnten den zukünftigen Wert des Unternehmens stark steigern und damit auch Honeywells Beteiligung sowie das potenzielle Gewinnpotenzial für Investoren erhöhen.
(Sie können mehr über die übrigen industriellen Aktivitäten von Honeywell in den Bereichen Automatisierung, Luft‑ und Raumfahrt sowie fortschrittliche Materialien im dem Unternehmen gewidmeten Bericht lesen).
Neueste Honeywell (HON) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Referenzierte Studien
1. Matsos, V.G., Valahu, C.H., Millican, M.J. et al. Universelles Quantengatter‑Set für Gottesman–Kitaev–Preskill‑logische Qubits. Nature Physics. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. et al. Visualisierung der Dynamik von Ladungen und Strings in (2 + 1)‑D-Gitter‑Gaugetheorien. Nature 642, 315–320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9
