Google hat angekündigt, dass sein Quantum AI-Team erfolgreich einen entscheidenden Engpass in der Quantenberechnung überwunden hat: Auf dem Willow-Prozessor wurde die Machbarkeit des Verfahrens zur Erzeugung von "Magic States" nachgewiesen, wobei die Fehler im Vergleich zur Nichtanwendung dieser Technologie um etwa 40-fach reduziert wurden. Dieses bahnbrechende Ergebnis wurde heute im Fachjournal "Science" veröffentlicht und stellt einen entscheidenden Schritt zur Skalierung und praktischen Nutzung der Quantenberechnung dar.
Google Quantum AI-Team beweist erfolgreich die Machbarkeit der Magic State-Erzeugungstechnologie
Bereits im Jahr 2004 hatten Forscher einen schwierigen Engpass vorhergesehen. Um universelle Quantenberechnungen durchzuführen und Programme mit praktischem Wert auszuführen, müssen spezifische Quantenoperationen ausgeführt werden können. Der Weg dorthin besteht darin, sogenannte "Magic States" zu erzeugen, ein Begriff, der sich auf Quantenzustände bezieht, die über die für klassische Berechnungen erforderlichen Quantenoperationen hinausgehen. Hierbei gibt es jedoch ein Problem: Die Erzeugung von hochwertigen, fehlerkorrigierten Magic States ist äußerst ressourcenintensiv. Schätzungen zufolge könnte ein Quantencomputer bis zu 95 % seiner gesamten Rechenleistung für die Erzeugung von Magic States aufwenden, sodass nur noch wenig Ressourcen für die tatsächlichen Berechnungen verbleiben.
Darüber hinaus können Magic States nach ihrer Verwendung nicht wiederverwendet werden und sind daher eine knappe Ressource. Aus diesem Grund haben Forscher kontinuierlich daran gearbeitet, die Ressourcenkosten für die Erzeugung von Magic States zu senken.
Im Jahr 2024 entwickelten die Google Quantum AI-Forscher Craig Gidney, Noah Shor und Cody Jones, inspiriert von Ansätzen in der Literatur, die heute als Magic State-Erzeugungstechnologie bezeichnet wird. Dieses Verfahren verspricht eine erhebliche Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, wobei das Kernkonzept einem Filter ähnelt. Dabei wird ein kleiner Bereich des Quantenchips mit verrauschten Quantenzuständen injiziert, gefolgt von einer Reihe hochgradig kooperativer Messungen, um Fehler zu identifizieren und unzulässige Proben auszuschließen. Craig und sein Team bewiesen, dass es mit dieser Methode möglich ist, Quantenzustände mit extrem hoher Reinheit und niedrigen Fehlern zu "züchten", die gleichzeitig in eine größere, praktisch nutzbare Kodierungsform umgewandelt werden können.
Wenn dies auf Quantenhardware umgesetzt werden kann, könnte dies die erforderliche Größe von Quantencomputern für praktische Aufgaben erheblich reduzieren.
Bei den ersten Tests des Züchtungsprotokolls stellte die Google Quantum AI-Forscherin Emma Rosenfeld fest, dass die beobachteten Daten scheinbar den physikalischen Gesetzen widersprachen. Nach monatelanger Untersuchung, Simulation, Peer-Review und Konsistenzprüfung entdeckte sie, dass das Problem auf fehlerhafte Annahmen in den häufig verwendeten Messmethoden des Teams zurückzuführen war. Genauer gesagt störten Geräuschquellen, die durch Drift der elektrischen Geräte im Labor und Temperaturschwankungen verursacht wurden, die Validität der Basistests. Das Team musste das theoretische Rahmenwerk und die Ingenieurlösungen synchron anpassen, um zusätzliche Kontrollmechanismen in das System einzuführen, die die Auswirkungen dieses Geräuschs verringern, und entwickelte eine neue Basistestmethode, die die Züchtungstechnologie selbst als Messwerkzeug nutzt, um das Problem an der Wurzel zu lösen.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse sowie weiterer algorithmischer Innovationen und Ingenieurlösungen hat Google die Quantenmesstechnik auf ein neues Spitzenlevel gehoben. Auf dem Willow-Prozessor von Google Quantum AI wurde mit diesem Protokoll eine Fehlerkompression von bis zu 40-fach im Vergleich zu nicht gezüchteten Quantenzuständen erreicht; die erhaltene T-Zustandslogik-Fidelität erreichte einen Rekordwert von 99,99 %. Dieses Ergebnis wurde nun in "Science" veröffentlicht und beweist erstmals eine machbare Lösung für einen der schwerwiegendsten Ressourcenengpässe in der Quantenberechnung, indem es zeigt, dass Google in der Lage ist, diesen entscheidenden Magic State effizient auf echter Hardware zu erzeugen.
Google hat zudem vorläufig nachgewiesen, dass die von Craig und anderen vorgeschlagene Theorie an ihre Quantenberechnungsarchitektur angepasst werden kann. Das Team hat den Übergang zwischen "Color Codes" (einem neuen Typ von Quantenfehlerkorrekturcode, der sich hervorragend für die Erzeugung von Magic States eignet) und "Surface Codes" (einer ausgereifteren Fehlerkorrekturlösung) realisiert, indem es einen Color Code mit einer Distanz von 3 an einen Surface Code mit einer Distanz von 5 gekoppelt hat. Dieses Kopplungsprotokoll stammt ursprünglich aus einer theoretischen Arbeit von 2024, und das Experiment hat bestätigt, dass die gereinigten Quantenzustände stabil in der Hardware bestehen und reibungslos übertragen werden können.