Quantencomputer aus Ionenfallen mit wenig Fehlern und mehr Rechenkapazität

„Der Artikel stellt den neuen Quantencomputer von Quantinuum vor, einem US-amerikanischen Unternehmen. Es gehört gemeinsam mit der ebenfalls US-amerikanischen Trapped Ion Quantum Computing Company (IonQ) und Alpine Quantum Technologies (AQT) aus Österreich zu den führenden Akteuren dieser auf Ionen basierenden Technologie. Die präsentierten Ergebnisse positionieren Quantinuum an der Spitze der Entwicklung von Quantencomputern. Denn es gelingt bei einer relativ hohen Anzahl von Qubits, die bislang besten Fehlerraten und die höchste Fidelität für Systeme dieser Größenordnung zu erreichen (Fidelität beschreibt, ob Operationen auf dem Prozessor wie gewünscht ausgeführt werden oder ob es zu Fehlern kommt; Anm. d. Red.).“

„Darüber hinaus ermöglicht ihre Plattform die direkte Ausführung von Operationen zwischen beliebigen Ionenpaaren. Dies stellt einen zusätzlichen Vorteil gegenüber anderen Plattformen dar, etwa gegenüber supraleitenden Quantencomputern.“

„Dies ist ein wichtiger Schritt. Denn mit diesem System können bereits Berechnungen durchgeführt werden, die mit klassischen Supercomputern nicht möglich sind. Derzeit sind diese aber vor allem von akademischem Interesse.“

„Die Studie zeigt eindrucksvoll, wie ein Ionenfallen-Quantenprozessor von bisherigen Größen von etwa zehn bis 50 Qubits auf fast 100 Qubits skaliert werden kann. Hierfür geht die Studie von einer eindimensionalen Geometrie zu einer zweidimensionalen Geometrie. Diese Ideen gibt es im Prinzip schon länger. Aber das wirklich auf dieser Skala zu realisieren und dabei die Operationen sehr fehlerarm zu halten, ist eine große Leistung. Es ist gut vorstellbar, dass dieser Ansatz auch noch zu weit größeren Systemen führen wird.“

„Die Studie ist auf jeden Fall ein wichtiger Schritt in Richtung Skalierung der Ionenfallen. Wie weit dieser Ansatz führen kann, bleibt allerdings noch offen. In der Studie werden die Ionen entlang von Bahnen bewegt. Nach jeder Bewegung müssen die Ionen dann wieder gekühlt werden. Das kostet den Großteil der Zeit und es bleibt abzuwarten, ob das bei größeren Systemen noch machbar ist. Interessant wäre gewesen, wenn die Autoren ein bisschen mehr Perspektive gegeben hätten. Etwa dazu, wie der Ansatz zu noch höheren Qubit-Zahlen führen könnte und ob oder wie die Geometrie der Falle dann angepasst werden müsste.“

„Ionenfallen-Qubits haben sehr lange Kohärenzzeiten. Das heißt, sie können gewünschte Quantenzustände lange aufrechterhalten. Außerdem sind mit ihnen fehlerarme Quantenoperationen möglich. Die Studie zeigt, dass man diese Eigenschaften auch noch bei Systemgrößen von 100 Qubits aufrechterhalten kann.“

„Noch bestehende Hürden sind, dass die Operationen mit gefangenen Ionen im Vergleich zu anderen Architekturen relativ langsam sind. In dem hier gezeigten Ansatz wird außerdem sehr viel Zeit für Bewegung und Kühlung der Qubits verwendet.“

„In einer idealen Plattform sollte der Großteil der Zeit für die Quantenrechnung genutzt werden. Zudem sind wir mit 100 Qubits noch viele Größenordnungen von einem Quantencomputer entfernt, der wirklich praktische Probleme lösen kann. Da wird geschätzt, dass eher Hunderttausende bis mehrere Millionen Qubits nötig sind.“

„Die Arbeit ist ein wichtiger Schritt für Ionenfallen-Quantencomputer. Sie zeigt, wie man zu Systemen mit 100 bis 1000 Qubits skalieren kann. Die Studie zeigt noch nicht, wie man Fehlerkorrektur in dieser Architektur am besten implementiert. Das wird spannend, das zu verfolgen.“

„Die Arbeit ist hochinteressant und stellt sowohl konzeptionell als auch technologisch einen wichtigen Schritt dar. Konzeptionell zeigt sie, dass Ionenfallenarchitekturen keineswegs den Anschluss verloren haben. Lange galten supraleitende Quantenprozessoren als die technologisch am weitesten entwickelte Plattform. Das war, bevor Systeme mit ultrakalten Atomen wieder stark an Bedeutung gewannen – insbesondere Rydberg-Atom-Plattformen in optischen Pinzetten.“

„Die vorliegende Arbeit rückt Ionenfallen nun erneut an die Spitze der Entwicklung. Allein die Systemgröße von 98 Qubits ist beeindruckend.“

„Die gezeigten Ergebnisse haben große Bedeutung für die Entwicklung eines fehlerkorrigierten, skalierbaren Quantencomputers. Sie sind auch eine Einladung für Theoretiker: Diese sind angehalten, neue fehlerkorrigierende Kodierungen zu schaffen, die für solche Plattformen zugeschnitten sind. Tatsächlich sind wir mit unserer Forschung auch an solchen Fragen interessiert und haben ein Preprint veröffentlicht, das sicher auch für solche Ionenfallenplattformen interessant ist [1].“

„Technologisch zeichnet sich die Plattform jedoch nicht nur durch ihre Größe aus. Das System namens Helios nutzt Hyperfein-Qubits auf Basis von Barium-Ionen, eine durch einen drehbaren Ionenspeicherring realisierte globale Konnektivität zwischen zwei Rechenzonen, parallele Operationen sowie einen neuen Software-Stack mit Echtzeit-Kompilierung dynamischer Programme.“

„Diese Architektur ist besonders relevant, weil einige der vielversprechendsten fehlerkorrigierenden Kodierungen eine nichtlokale Konnektivität der Qubits voraussetzen. Hinzu kommen außerordentlich hohe Gatter-Fidelitäten, also eine sehr präzise Umsetzung von Quantenoperationen. Zusammen machen diese Eigenschaften Helios zu einer der derzeit überzeugendsten Architekturen auf dem Weg zu skalierbaren Quantenrechnern.“

„Man kann durchaus sagen, dass dies ein wichtiger Schritt in Richtung Skalierbarkeit ist. Helios wirkt deutlich skalierbarer als frühere lineare Ionenfallenarchitekturen. Durch die Trennung von Speicher- und Rechenzonen, einem drehbaren Ionenspeicherring, parallelen Operationen und einer Echtzeitsteuerung werden Kommunikations- und Routingengpässe erheblich reduziert. Nach Angaben von Quantinuum kann die Logikregion bis zu 16 Qubits gleichzeitig in acht Operationszonen verarbeiten.“

„Das bedeutet zwar noch nicht, dass die Plattform bereits im strengen Sinne eines fehlertoleranten Quantenrechners skalierbar wäre. Dennoch wurden einige der zentralen technologischen Hürden auf dem Weg zu großen Quantencomputern erfolgreich adressiert.“

„Die Gatter-Fidelitäten sind hoch. Die globale Konnektivität ist ein Vorteil. Zudem sind alle Ionen gleich – das ist sicher auch ein Vorteil solcher Ansätze. Vor allem aber zeigt die Arbeit, dass Ionenfallen noch im Rennen sind.“