Caltech knackt Quantencomputing-Rekord mit 6,100 Qubits

6,100 Qubits: neuer Rekord im Quantencomputing

In der Quanteninformatik ist ein weiterer Bestwert gefallen – und zwar mit deutlichem Abstand: Physikerinnen und Physiker haben ein Array mit 6,100 Qubits aufgebaut. Damit ist es das bislang grösste System dieser Bauart und liegt klar über den rund tausend Qubits, die frühere Anlagen typischerweise erreichten.

Hinter dem Ergebnis steht ein Team des California Institute of Technology. Als Qubits dienten Cäsiumatome, die mit einem aufwendigen Laseraufbau an Ort und Stelle gehalten wurden. Diese Laser wirkten wie Pinzetten, um die Atome möglichst ruhig und stabil zu fixieren.

Wie Qubits sich von klassischen Bits unterscheiden: Superposition

Anders als klassische Bits herkömmlicher Computer, die nur die Zustände 1 oder 0 annehmen, nutzen Qubits das Prinzip der Superposition. Damit können sie nicht nur binär festgelegt sein, sondern als Wahrscheinlichkeitsverteilung vorliegen – eine Eigenschaft, die Algorithmen ermöglicht, welche Aufgaben angehen, die mit konventionellen Rechenmethoden als unerreichbar gelten.

Warum grosse Arrays wichtig sind: Fehlerkorrektur und Robustheit

Damit Quantenalgorithmen in der Praxis funktionieren, braucht es jedoch sehr viele Qubits. Ein zentraler Grund für solche grossen Arrays ist die Fehlerkorrektur: Weil Qubits von Natur aus empfindlich sind, hilft ein Überschuss an Qubits dabei, die Funktionsweise der Maschine durch zusätzliche Prüfungen abzusichern.

„Das ist ein aufregender Moment für das Neutralatom-Quantencomputing“, sagt der Physiker Manuel Endres. „Wir können jetzt einen Weg zu grossen, fehlertoleranten Quantencomputern erkennen. Die Bausteine sind vorhanden.“

Engineering-Fortschritte: Laserpinzetten, Vakuumkammer und Kontrolle

Den Sprung in der Qubit-Zahl machte nicht eine einzelne Entdeckung möglich. Stattdessen kamen zahlreiche technische Verbesserungen in entscheidenden Bereichen zusammen – von den Laserpinzetten bis zur Ultrahochvakuumkammer (also extrem niedrigem Druck).

Auch die Stabilität gilt seit Langem als Hürde für Quantencomputing-Systeme. In dem neuen Array hielten die Innovationen Qubits fast 13 Sekunden in einem Superpositionszustand – nahezu zehnmal so lange, wie es frühere Konfigurationen geschafft hatten.

Zudem liessen sich einzelne Qubits mit einer Genauigkeit von 99.98 percent ansteuern, was einen wichtigen Referenzwert für die Programmierbarkeit von Quantentechnologie setzt.

„Grösserer Massstab, mit mehr Atomen, gilt oft als Gegensatz zur Genauigkeit – aber unsere Ergebnisse zeigen, dass beides möglich ist“, sagt der Physiker Gyohei Nomura.

„Qubits sind ohne Qualität nicht nützlich. Jetzt haben wir Quantität und Qualität.“

Nächster Schritt: Verschränkung für echte Informationsverarbeitung

Damit Quantencomputer eine realistische Alternative zu modernen Supercomputern werden, braucht es noch mehr Qubits und nochmals höhere Stabilität. Fachleute arbeiten an mehreren Ansätzen zugleich – deshalb lassen sich Rekorde einzelner Quantencomputer-Typen nicht automatisch auf andere übertragen.

Als Nächstes wollen die Forschenden die Verschränkung gezielt nutzen. Sie soll dem System den Übergang ermöglichen, von der reinen Informationsspeicherung hin zur tatsächlichen Verarbeitung. In absehbarer Zeit könnten solche Rechner dabei helfen, neue Materialien, Materie und grundlegende Gesetze der Physik zu entdecken.

„Es ist aufregend, dass wir Maschinen entwickeln, die uns helfen, das Universum auf Arten zu verstehen, die nur die Quantenmechanik lehren kann“, sagt die Physikerin Hannah Manetsch.

Die Studie ist in Nature erschienen.