In einigen Wissenschaftsbereichen wie beim Verschlüsseln von Daten, in der Medikamenten- und Materialforschung oder beim maschinellen Lernen für die Künstliche Intelligenz kommen herkömmliche Computer längst an ihre Grenzen. Die nötigen Berechnungen dauern unendlich lang oder sind gar nicht möglich.

Deshalb versuchen Forschende weltweit mit Hochdruck, das gewaltige Potential von Quantencomputern zu erschließen. Die könnten eben jene mathematischen Probleme sehr schnell lösen.

Was ist das Besondere an Quantencomputern?

Technisch ist das Potential klassischer Rechner vollkommen ausgereizt. Klassische Computer arbeiten mit Bits, die nur zwei Zustände kennen: 1 für "an" oder 0 für "aus".

Quanten-Bits, auch Qubits genannt, können dagegen unendlich viele Zustände annehmen. Dadurch können Quantencomputer deutlich schneller rechnen, sind aber auch fehleranfälliger. "Störungen von außen (zum Beispiel durch Wärmestrahlung, Rauschen der Elektronik oder Ähnliches) oder von innen (etwa durch Materialdefekte)" verursachen Rechenfehler, so Prof. Dr. Stefan Filipp von der Technischen Universität München (TUM).

"Diese sind zwar mittlerweile sehr klein (ein Tausendstel bis ein Zehntausendstel jeder Operation geht schief), aber noch nicht niedrig genug, um hinreichend lange Algorithmen laufen zu lassen", so Filipp.

Deshalb steht die Entwicklung von Quantencomputern noch am Anfang. Aktuell arbeiten die Forschenden mit 100 Qubits. Bald schon sollen es 10.000 Qubits sein, perspektivisch seien auch 10.000.000 Qubits denkbar. 

Was ist Google mit dem Spezialchip gelungen?

Die bereits entwickelten Systeme sind zu klein und machen zu viele Fehler, um einen echten Mehrwert zu liefern. Außerdem steigt mit den zusätzlichen Recheneinheiten (Qubits) auch die Fehlerquote an.

Das Google-Team fand und korrigierte die Fehler mithilfe eines sogenannten Oberflächencodes. Dazu fassten sie mehrere fehleranfällige physikalische Qubits zu einem weniger fehleranfälligen logischen Qubit zusammen – mit Erfolg.

Laut Markus Müller, Professor für theoretische Quantentechnologie an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH), sei es dem Google-Team zum ersten Mal gelungen, eine Quantenfehlerkorrektur mit Fehlerraten unter einem relevanten Schwellenwert zu erreichen. Die Fehlerkorrektur ist entscheidend für die Entwicklung von skalierbaren und anwendbaren Quantencomputern.

Mit dem neu entwickelten Quantenprozessor "Willow" habe man den Weg für die Entwicklung praktisch nutzbarer Quantencomputer geebnet, schreibt das Team um den deutsche Informatiker Hartmut Neven in der Fachzeitschrift "Nature". Neven ist Gründer und Leiter des Quantum Artificial Intelligence Laboratory von Google.

Gibt es bald Quantencomputer?

Zwar ist dem Google-Team damit ein entscheidender Schritt gelungen. Allerdings merken auch die Forschenden an, dass die erzielte Fehlerrate für einen anwendbaren Quantencomputer immer noch zu hoch ist.

Der Quantenprozessor "Willow" besteht aus 105 supraleitenden Qubits. Für zufriedenstellende Raten bräuchte es nach ihren Berechnungen 1457 physikalische Qubits. Das würde aber auch deutlich mehr Rechenzeit bedeuten.

"Um letztendlich quasi fehlerfrei und somit verlässlich rechnen zu können, muss die Fehlerkorrekturrate schneller zunehmen als die Fehlerrate", erläutert Prof. Dr. Michael Hartmann von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

"Mit der derzeitigen Qualität von Qubits wird man 100.000 bis eine Million Qubits benötigen, um große, fehlertolerante Rechnungen durchführen zu können", so Hartmann. "Damit wird ersichtlich, wie weit der Weg noch ist."

Ausgewählte Quellen:

Neven H et al. (2024): Quantum error correction below the surface code threshold. Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08449-y.