Microsoft rechnet mit 12 fehlerkorrigierten Qubits
Forscher von Microsoft und Quantinuum kombinieren 56 Qubits zu 12 Recheneinheiten und simulieren damit eine chemische Reaktion.
Kühlkammer des Quantinuum-Quantencomputers
(Bild: Josh Wood)
Ein Forschungsteam von Microsoft und Quantinuum kombinierte erstmals eine Quantenfehlerkorrektur mit der erfolgreichen Ausführung von Rechenoperationen. Dieser Quantencomputer löste zusammen mit einem KI-Modell und klassischen Rechensystemen ein Problem aus der Quantenchemie. Die Ergebnisse präsentiert Microsoft in einem Blogbeitrag.
Die US-amerikanische Firma Quantinuum unter der Leitung von Rajeeb Hazra entstand bei der Fusion von Cambridge Quantum und Honeywell Quantum Solutions. Das Unternehmen nutzt gefangene Ionen, also geladene Atome, als Qubits. Quantinuums stellte seinen Quantencomputer H2 mit 56 Qubits im Juni dieses Jahres vor. Anwender können über Quantinuum oder Microsoft Azure auf die kommerzielle Maschine zugreifen.
Fehler von Qubits effektiv korrigieren
Aufgrund der labilen Natur von Qubits sind Quantencomputer bis heute noch sehr fehleranfällig. Werden mehrere Rechenschritte hintereinander ausgeführt, verrauschen die Ergebnisse – sie sind somit unbrauchbar. Qubit-Fehler zu erkennen und während der Rechnung zu korrigieren, ist das Ziel der Quantenfehlerkorrektur.
(Bild: Quantinuum)
Statt Quanteninformation in einem einzelnen Qubit zu speichern, wird sie über mehrere sogenannte physische Qubits verteilt. Diese bilden gemeinsam ein logisches Qubit, also eine Recheneinheit. So bleibt die Information erhalten, selbst wenn ein einzelnes physisches Qubit einen Fehler macht. Zur Korrektur von Fehlern auf Quantinuums H2-Maschine nutzte das Team einen Algorithmus von Microsoft.
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Das Team kombinierte 56 physische zu 12 logischen Qubits. Diese verschränkten sie, brachten sie also in einen komplexen quantenphysikalischen Überlagerungszustand. Dabei belief sich die Fehlerrate von Operationen an Qubitpaaren auf 0,11 Prozent. Dieser Wert ist 22-mal kleiner als die Fehlerrate bei einzelnen, physischen Qubits. Außerdem führte das Team mit den logischen Qubits diverse fehlertolerante Berechnungen durch. Damit demonstrierte es erstmals die erfolgreiche Kombination von Quantenrechnungen und Fehlerkorrektur.
Das Team baut mit diesen Fortschritten auf Ergebnissen aus dem Frühjahr auf. Damals kombinierten sie bereits 30 physische Qubits zu vier logischen. Der Fehler der logischen Qubits war dabei 800-mal kleiner als der Fehler der physischen Qubits. Mit ihren neuen Ergebnissen konnten die Forscher die Skalierbarkeit ihres Ansatzes demonstrieren.
Simulation von Quantenchemie
Um die Leistungsfähigkeit ihres Quantencomputers zu veranschaulichen, führten die Forscher damit von Microsoft komplexe quantenchemische Simulationen durch. Konkret betrachteten sie eine chemische Reaktion, bei der mithilfe eines Katalysators chirale Moleküle produziert werden, also Moleküle, die nicht mit ihren Spiegelbildern überlagert werden können. Ziel war es, den Reaktionsmechanismus besser zu verstehen und die Energiebarriere der Reaktion präzise abzuschätzen.
Für die Simulation kombinierten die Forscher ihren Quantencomputer mit Hochleistungsrechnern und Künstlicher Intelligenz. Dafür nutzten sie Microsofts Plattfgorm Azure Quantum Elements – eine Cloud-Plattform, um wissenschaftliche Probleme zu lösen. Mit ihrer Methode konnten die Forscher das Problem mit hoher Genauigkeit lösen.
Zwar konnten die Forscher keinen Quantenvorteil demonstrieren, da auch ein klassischer Supercomputer das Problem lösen konnte. Allerdings ebnen solche Tests den Weg für komplexe quantenchemische Rechnungen mithilfe von Quantenprozessoren, bei denen klassische Computer versagen.
Die Forscher erwarten, dass ein Quantenvorteil erreicht wird, sobald etwa 100 logische Qubits zur Verfügung stehen. Microsoft plant ihre Methoden auch auf andere Architekturen für Quantencomputer anzuwenden. Dafür kooperieren sie etwa mit dem Start-up Atom Computing, das Qubits aus ungeladenen Atomen fertigt.
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(spa)
