Quantencomputer-Meilenstein: Caltech erreicht 6100 Qubits

Qubits verstehen: Die fragilen Bausteine des Quantencomputers

Klassische Computer arbeiten in Bits, die nur die Werte 0 oder 1 annehmen können. Quantencomputer hingegen nutzen Qubits, die dank eines Effekts namens Superposition beide Zustände gleichzeitig annehmen können. Dadurch lassen sich extrem komplexe Berechnungen durchführen, die klassische Systeme überfordern würden.

Doch Qubits sind sehr fragil. Schon die kleinste Störung wie Temperaturveränderungen oder elektromagnetische Felder können ihren Zustand verändern und die ausgeführten Berechnungen verfälschen. Damit Quantencomputer trotzdem zuverlässig arbeiten können, müssen sie sehr viele zusätzliche Qubits enthalten, die ausschließlich der Fehlerkorrektur dienen. Fachleute gehen davon aus, das praxistaugliche Quantencomputer mindestens Hunderttausende Qubits benötigen werden. Das Array von Caltech hat mit 6100 Qubits den vorherigen Topwert versechsfacht.

— Manuel Endres, Professor für Physik am Caltech

Die Technik hinter dem Rekord

Das Caltech-Team setzt auf eine Plattform mit neutralen Atomen – ein Ansatz, der sich grundlegend von den supraleitenden Schaltkreisen von Google, IBM und Rigetti sowie von den gefangenen Ionen bei Unternehmen wie IonQ und Honeywell unterscheidet.

Beim Ansatz der neutralen Atome werden Cäsium-Atome als Qubits genutzt. Cäsium ist ein sehr weiches Metall mit einer einfachen Atomstruktur, die sich leicht mit Laserlicht anregen und kontrollieren lässt. Es wird bereits in hochpräzisen Geräten wie Atomuhren eingesetzt und eignet sich daher hervorragend für Quantenexperimente.

Um die Atome einzufangen und zu steuern, verwenden die Forschenden sogenannte optische Pinzetten. Das sind stark fokussierte Laserstrahlen, die einzelne Atome an einer Position festhalten können. Diese Vorgehensweise hat einen bestimmten Vorteil: Die Atome lassen sich damit nicht nur präzise fixieren, sondern auch verschieben.

Stabilität, Präzision und Flexibilität

Das Caltech-System setze gleich mehrere Rekorde. Die Kohärenzzeit, also die Dauer, in der die Qubits ihren Quantenzustand stabil halten, wurde auf 13 Sekunden verlängert – fast zehnmal länger als bei bisherigen vergleichbaren Systemen.

Besonders beeindruckend ist die Beweglichkeit der Atome: Einzelne Qubits lassen sich mit einer Präzision von 99,98 % steuern und über große Distanzen verschieben, ohne dass der empfindliche Quantenzustand dabei verloren geht. Diese Fähigkeit ist entscheidend für künftige Fehlerkorrekturen und macht das System der neutralen Atome besonders vielversprechend.

— Gyohei Nomura, Caltech

Nächster Schritt: Fehlerkorrektur und Quantenverschränkung

Eine große Anzahl stabiler Qubits ist ein wichtiger Meilenstein, aber noch lange keine Garantie, dass Quantencomputer in naher Zukunft nutzbar werden. Zwei große Herausforderungen müssen zunächst noch gelöst werden.

Die Fehlerkorrektur: Bei klassischen Computern können Fehler leicht behoben werden, indem die einzelnen Bits kopiert oder mehrfach abgespeichert werden. In der Quantenwelt funktioniert das nicht, weil das sogenannte Non-Cloning-Theorem gilt. Es besagt, dass ein beliebiger, unbekannter Quantenzustand nicht exakt kopiert werden kann. Der Versuch, einen Qubit-Zustand zu vervielfältigen, würde ihn unweigerlich verändern oder zerstören.

Quantenverschränkung: Dabei werden einzelne Qubits so miteinander verbunden, dass sie sich wie ein gemeinsames System verhalten. Erst durch diese Verknüpfung können Quantencomputer wirklich rechnen, statt nur Informationen zu speichern.