Google Willow-Prozessor realisiert Magische-Zustands-Züchtungstechnik, Fehlerquote um 40 Prozent gesenkt, logische Treue erreicht 99,99%

Google hat kürzlich bekannt gegeben, dass sein Willow-Prozessor bei der Vorbereitung spezieller quantenmechanischer Zustände eine Fehlerquote von 40 Prozent senken konnte. Dieser Durchbruch hilft, ein zentrales Problem in der praktischen Quantenberechnung zu lösen. Diese Technik wird als „Magische-Zustands-Züchtung“ bezeichnet, deren logische Treue 99,99% erreicht und die in der Lage ist, hochpräzise quantenmechanische Zustände zu erzeugen, die für komplexe Berechnungen erforderlich sind. Diese Zustände sind entscheidend für den Aufbau leistungsfähiger fehlerkorrigierender Quantencomputer. Die Erzeugung dieser magischen Zustände war jedoch lange Zeit eine große Herausforderung. Diese Zustände sind für komplexe Quantenberechnungen unerlässlich, aber ihre Erzeugung mit ausreichend niedriger Fehlerquote erfordert enorme Rechenressourcen.

Einige Schätzungen zeigen, dass bis zu 95% der Kapazität von Quantencomputern für die Erzeugung dieser Zustände verwendet werden könnte, während der Raum für tatsächliche Berechnungen relativ begrenzt ist. Das Problem besteht auch darin, dass jeder magische Zustand nur einmal verwendet werden kann, was bedeutet, dass Quantencomputer kontinuierlich neue Zustände generieren müssen, um Operationen auszuführen. Googles neuestes Experiment zeigt eine Methode, die diese Ressourcenbelastung reduzieren kann.

Magische-Zustands-Züchtungstechnik

Im Jahr 2024 entwickelten die Google-Quanten-KI-Forscher Craig Gidney, Noah Shutty und Cody Jones die Magische-Zustands-Züchtungstechnik und verbesserten frühere theoretische Ansätze. Diese Methode ähnelt einem Filter, bei dem die Forscher fehlerhafte quantenmechanische Zustände in kleine Bereiche des Prozessors einführen und eine Reihe sorgfältig abgestimmter Messungen durchführen, um Probleme zu identifizieren. Versuche, die die Überprüfung nicht bestehen, werden verworfen, während die bestandenen Überprüfungen reinere quantenmechanische Zustände erzeugen. Diese Zustände können anschließend in größere Formen erweitert werden, die für komplexere Quantenoperationen geeignet sind.

Obwohl die Methode theoretisch vielversprechend ist, erfordert die Demonstration auf praktischer Quantenhardware mehrere ingenieurtechnische Verbesserungen. In frühen Experimenten stieß die Google-Forscherin Emma Rosenfeld auf unerwartete Messergebnisse. Nach mehreren Monaten des Testens und Simulierens stellte das Team fest, dass das Problem auf Rauschen zurückzuführen war, das durch Drift elektrischer Geräte und Temperaturschwankungen im Labor verursacht wurde, was die Genauigkeit der bestehenden Messmethoden des Teams beeinträchtigte. Die Forscher reagierten darauf, indem sie die Kontrolle des Prozessors verbesserten und eine neue Benchmarking-Technik entwickelten, die den Züchtungsprozess selbst nutzt, um die Ergebnisse zu bewerten.

Diese Änderungen halfen dem Willow-Prozessor, die Fehlerquote um 40 Prozent zu senken. Im Vergleich zu nicht gezüchteten quantenmechanischen Zuständen erzeugte das Experiment auch logische T-Zustände mit einer berichteten Treue von 99,99%.

Übertragung quantenmechanischer Zustände

Zusätzlich zur Senkung der Fehlerquote zeigten Googles Forscher, dass die gereinigten quantenmechanischen Zustände zwischen zwei verschiedenen Fehlerkorrekturmethoden übertragen werden können. Das Team übertrug Zustände vom Farbcode mit Distanz 3 auf den Oberflächen-Code mit Distanz 5. Dies sind zwei Methoden zur Organisation quantenmechanischer Informationen zur Erkennung und Korrektur von Fehlern, wobei die Distanz den Schutzgrad des Codes gegenüber bestimmten Fehlern angibt. Dieser Prozess wird als „Vermischung“ bezeichnet und zeigt, dass sorgfältig vorbereitete Zustände erfolgreich zwischen diesen beiden Methoden auf praktischer Hardware übergehen können. Dieses Ergebnis ist von großer Bedeutung, da zukünftige Quantencomputer möglicherweise verschiedene Fehlerkorrekturtechniken kombinieren müssen, um Berechnungen zuverlässig auszuführen und gleichzeitig die Hardwareanforderungen zu begrenzen.

Die Demonstration bedeutet jedoch nicht, dass Google das magische Zustandsproblem beseitigt oder einen praktischen fehlerkorrigierenden Quantencomputer etabliert hat. Das Unternehmen räumt ein, dass die Züchtungstechnik noch im größeren Maßstab nachgewiesen werden muss, um nützliche Quantenanwendungen zu unterstützen. Die Forschung wurde in der Zeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Wie Google das Quantenberechnungsproblem löst

Googles neuester Durchbruch im Bereich der Quantenberechnung zeigt, dass die Magische-Zustands-Züchtungstechnik die Fehlerquote erheblich senken kann, was für die Praktikabilität von Quantencomputern von entscheidender Bedeutung ist. Eine der Herausforderungen der Quantenberechnung besteht darin, hochpräzise quantenmechanische Zustände zu erzeugen, und der erfolgreiche Einsatz dieser Technik könnte Quantencomputer bei der Lösung komplexer Berechnungsprobleme effizienter machen. Darüber hinaus bietet die Möglichkeit, quantenmechanische Zustände zwischen verschiedenen Fehlerkorrekturtechniken zu übertragen, zukünftigen Quantencomputern größere Flexibilität und Zuverlässigkeit. Dennoch muss Google diese Technik weiter validieren, um ihre Anwendung im größeren Maßstab zu realisieren und wirklich fehlerkorrigierte Quantenberechnungen zu ermöglichen.