Demonstration der Gitterchirurgie fördert fehlertolerantes Quantencomputing

Ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Forschern der ETH Zürich hat kürzlich eine Methode zur Verschränkung von Quantenbits mittels Gitterchirurgie demonstriert. Dieses Verfahren ermöglicht es Ingenieuren, leistungsfähigere Quantencomputer zu entwickeln, die bereits beeindruckenden Fähigkeiten dieser Geräte zu erweitern und den Weg für zukünftige Anwendungen zu ebnen. Hier erfahren Sie alles Wichtige.

Was macht Quantencomputer grundlegend anders?

Quantencomputer werden von vielen als nächster Schritt in der Evolution Diese Geräte bieten tausendfach mehr Rechenleistung als Computer. Dadurch eignen sie sich ideal für komplexe wissenschaftliche Berechnungen und vieles mehr.

Quantencomputer haben sich als deutlich leistungsfähiger erwiesen als herkömmliche Computer. Sie übertreffen traditionelle Geräte, da sie zur Informationsverarbeitung auf Qubits, Superposition, Verschränkung und Interferenz basieren. Diese Struktur ermöglicht die parallele Verarbeitung von Millionen von Berechnungen.

Warum die Quantenfehlerkorrektur der zentrale Flaschenhals ist

Allerdings, wenn es darum geht Speicherung Quantendaten sind wesentlich schwieriger zu handhaben als herkömmliche Bits, die dupliziert und gespeichert werden können. Beim Abruf können die Duplikate abgeglichen werden, um sicherzustellen, dass die Daten nicht beschädigt sind.

Die Quantenfehlerkorrektur ist aus mehreren Gründen deutlich komplexer. Zum einen lassen sich Quanten-Qubits nicht wie herkömmliche Bits kopieren. Stattdessen basieren sie auf verschränkten Zuständen zwischen den Qubits. Dieser fragile Zustand kann leicht zerstört werden.

Bit-Flips und Phasen-Flips

Quantencomputer müssen zudem Dekohärenz und Phasenverschiebungen bewältigen. Sie sind insofern einzigartig, als Qubits ihre Phase plötzlich und ohne Vorwarnung von positiv zu negativ ändern können. Dieses Problem erschwert die langfristige Speicherung von Quantendaten.

Wie Ingenieure dieses Problem beheben

Es gibt verschiedene Ansätze, mit denen Ingenieure versucht haben, diese Quantenverschiebungen zu korrigieren. Eine gängige Methode besteht darin, ein logisches Qubit aus mehreren anderen Qubits zu erzeugen. Nach der Erzeugung wenden Ingenieure kontinuierlich Fehlerkorrekturen an, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

Dieser Prozess erfordert von Wissenschaftlern die kontinuierliche Überwachung des Zustands speziell entwickelter Stabilisatoren. Mithilfe dieser Stabilisatoren können Ingenieure jegliche Veränderungen im Qubit überwachen, ohne dessen Wert zu verändern. Dies erreichen sie durch die Bereitstellung nachvollziehbarer Bit- und Phasenmesswerte.

Bei diesem Prozess werden Daten-Qubits erzeugt. Diese Qubits dienen der Speicherung des Korrekturzustands. Probleme entstehen, weil die meisten Quantencomputer auf zweidimensionalen Anordnungen supraleitender Qubits basieren.

Diese Qubits bleiben räumlich fixiert und können nicht bewegt werden, ohne den Quantenzustand zu zerstören. Stabilisatoren tragen zur Aufrechterhaltung der Stabilität bei. Sie funktionieren jedoch nur mit benachbarten Qubits, wodurch sie sich ideal für zweidimensionale Qubit-Anwendungen eignen und ihr Einsatzgebiet stark eingeschränkt ist.

Studie zur Gitterchirurgie an Quantenbits

Um die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu verbessern, veröffentlichten Wissenschaftler der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts die „Gitterchirurgie realisiert auf zwei Distanz-drei-Wiederholungscodes mit supraleitenden Qubits¹” Studie in Nature Physics.

Die Arbeit stellt eine neue Methodik für Quantenverschränkung und Stabilisatoren vor. Ihr neuer Ansatz ermöglicht es Quantencomputern, Quantenoperationen zwischen supraleitenden logischen Qubits durchzuführen und gleichzeitig Fehlerkorrekturen in Echtzeit vorzunehmen.

Was ist Gitterchirurgie im Quantencomputing?

Kern dieser Neuentwicklung ist die Gitterchirurgie. Dabei werden topologische Codes über logische Qubits hinweg verknüpft. Dieser Ansatz unterstützt 2D-Qubit-Anordnungen sowie fehlertolerante Gatteroperationen.

Mithilfe der Gitterchirurgie konnten die Ingenieure Logikgatter zwischen kodierten Qubits anwenden, selbst wenn diese nicht nebeneinander lagen. Diese Strategie vermeidet den direkten Kontakt zwischen den Qubits und reduziert so Fehler durch Dekohärenz.

Die Gitterchirurgie basiert auf der Verwendung von Patches, also Qubits mit Stabilisatoren. Dabei werden diese Gatter temporär miteinander verbunden, was Paritätsprüfungen und einen größeren Coderaum für die Verarbeitung ermöglicht. Diese Arbeit stellt eine der ersten experimentellen Demonstrationen der Gitterchirurgie zwischen kodierten logischen Qubits mithilfe supraleitender Oberflächencode-Hardware dar, wobei während des gesamten Vorgangs eine Fehlerkorrektur in Echtzeit gewährleistet ist.

Wie das Gitterchirurgie-Experiment durchgeführt wurde

Die Ingenieure führten mehrere Tests durch, um die Richtigkeit ihrer Berechnungen zu gewährleisten. Zunächst entwickelte das Team ein Quantengerät. Das Logikgatter bestand aus 17 supraleitenden Qubits, die annähernd quadratisch angeordnet waren.

Nach der Verschränkung zweier Qubits konzentrieren sich die Ingenieure auf die Aufteilungsoperationen. Dazu kodierten sie die logischen Qubits mit wiederholten Bit-Flips. Anschließend überwachten sie die Ergebnisse der Stabilisatoren alle 1.66 Mikrosekunden und führten gleichzeitig Bit-Flip- und Phasen-Flip-Korrekturen durch.

Die Methode teilt das Oberflächencodequadrat in zwei Hälften, wodurch es leichter nachzuverfolgen und zu testen ist. Die Testergebnisse bestätigten die Richtigkeit ihrer Theorien.

Gitterchirurgie an Quantenbits – Testergebnisse

Die Ingenieure stellten fest, dass die Bit-Flip-Fehler in Echtzeit korrigiert wurden. Sie verzeichneten eine Verbesserung gegenüber nicht kodierten Schaltungen, die demselben Verfahren unterzogen wurden, mit dem Ergebnis, dass die Ingenieure erfolgreich zwei miteinander verschränkte logische Qubits erzeugten.

Vorteile der Gitterchirurgie an Quantenbits

Diese Studie bietet dem Markt zahlreiche Vorteile. Zum einen ebnet sie den Weg für leistungsfähigere und präzisere Quantencomputer. Die Möglichkeit, Fehlertoleranz und -korrekturen in diese Geräte zu integrieren und zu reduzieren, wird zukünftigen Generationen zu mehr Leistung und Stabilität verhelfen.

Gitterchirurgie an Quantenbits: Anwendungen in der Praxis und Zeitleiste

Diese Arbeit bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. In erster Linie trägt die Forschung dazu bei, den aufstrebenden Sektor der Quantencomputer auszubauen und zu verbessern. Sie verleiht diesen Geräten ein neues Stabilitätsniveau und ermöglicht es Ingenieuren, leistungsfähigere Einheiten zu entwickeln, die für ihre Operationen noch mehr Qubits nutzen.

Zeitleiste der Gitterchirurgie auf Quantenbits

Laut Ingenieuren ist noch viel Arbeit nötig, bis diese Technologie ausgereift ist und in modernen Quantengeräten Anwendung finden kann. Man kann jedoch davon ausgehen, dass sie in den nächsten 7–10 Jahren in diesem Sektor eingesetzt wird, parallel zu einer breiteren Verbreitung von Quantencomputern.

Gitterchirurgie an Quantenbits: Forscher

An dieser Studie waren Forscher mehrerer namhafter Institutionen beteiligt. Konkret leitete D-PHYS-Professor Andreas Wallraff die Forschungsarbeit, während Professor Markus Müller von der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich als Koautor mitwirkte.

In dem Artikel werden außerdem Ilya Besedin, Michael Kerschbaum, Jonathan Knoll, Ian Hesner, Lukas Bödeker, Luis Colmenarez, Luca Hofele, Nathan Lacroix, Christoph Hellings, François Swiadek, Alexander Flasby, Mohsen Bahrami Panah und Dante Colao Zanuz als Mitwirkende aufgeführt.

Gitterchirurgie an Quantenbits Zukunft

Die Zukunft dieser Technologie sieht vielversprechend aus. Ziel ist es, sie mit anderen jüngsten Durchbrüchen zu integrieren, um Ingenieuren zu helfen, ihr übergeordnetes Ziel zu erreichen: den Bau nützlicher Quantencomputer, die auf Tausenden von Qubits anstatt auf Dutzenden basieren.

Investitionen in Quanteninnovation

Der Quantencomputing-Sektor wird von einigen wenigen Forschungsunternehmen dominiert, die Millionen in diese Technologie investiert haben. Diese Gruppen forschen weiterhin mit Innovationsgeist an dieser Technologie und tragen dazu bei, bisher für unmöglich gehaltene Ansätze zu entwickeln. Hier ist ein Unternehmen, das maßgeblich zur Förderung zukünftiger Entwicklungen und ihrer Anwendung beigetragen hat.

Rigetti Computing

Rigetti Computing wurde 2013 von Chad Rigetti mit dem Ziel gegründet, die leistungsstärksten Quantencomputer der Welt mithilfe supraleitender Qubit-Technologie zu entwickeln. Im Gegensatz zu IonQ, das mit gefangenen Ionen arbeitet, konzentriert sich Rigetti auf supraleitende Schaltkreise und orientiert sich dabei stärker an der Forschung der ETH Zürich zur Gitterchirurgie supraleitender logischer Qubits.

Im Jahr 2018 demonstrierte Rigetti einen 128-Qubit-Chip und hat seither die Entwicklung von „Full-Stack“-Quantencomputern maßgeblich vorangetrieben. Dazu gehört die Fab-1-Anlage, die weltweit erste dedizierte Quanten-Foundry, in der Rigetti seine eigenen Quantenprozessoren entwickelt und fertigt.

Rigetti hat bedeutende Fortschritte im Bereich des hybriden Quanten-Klassik-Computing erzielt. Die Plattform Quantum Cloud Services (QCS) integriert Quantenprozessoren mit einer leistungsstarken klassischen Infrastruktur – eine Voraussetzung für die in der aktuellen Forschung diskutierte Echtzeit-Fehlerkorrektur. Im Jahr 2021 ging Rigetti durch die Fusion mit der Supernova Partners Acquisition Company II an die Börse und ist seitdem an der NASDAQ notiert.

Rigetti entwickelt heute aktiv seine Systeme der Ankaa-Klasse, die ein quadratisches Gitter aus abstimmbaren Kopplern nutzen. Diese Architektur ist speziell darauf ausgelegt, die Art von fehlertoleranten Operationen und logischen Qubit-Kodierungen zu unterstützen, die in der jüngsten Studie der ETH Zürich demonstriert wurden.

Aktuelle Neuigkeiten und Leistungen zu Rigetti Computing (RGTI).

Gitterchirurgie an Quantenbits | Fazit

Quantencomputer versprechen unübertroffene Rechenleistung, doch ihre Empfindlichkeit macht sie für die meisten Menschen bisher unerschwinglich. Diese jüngste Entwicklung trägt zur Stabilisierung dieser Geräte bei und bringt die Welt einem erschwinglichen und zuverlässigen Quantencomputer einen Schritt näher. Aus diesem und weiteren Gründen verdienen diese Ingenieure höchsten Applaus.

Erfahren Sie mehr über weitere Durchbrüche im Bereich der Quantencomputer. werden auf dieser Seite erläutert.

Referenzen

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M. & Wallraff, A. (2026). Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with supconducting qubits. Nature Physics, 1–6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}