Supraleitendes Quantencomputing: Vorreiter in der Quantenfehlerkorrektur

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (Fakultät für Naturwissenschaften, Nationale Universität für Verteidigungstechnologie)

Wu Wei (Fakultät für Naturwissenschaften, Nationale Universität für Verteidigungstechnologie)

Wang Yutong (PhD in Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Wie erwartet gibt es wieder große Neuigkeiten im Forschungsfeld des supraleitenden Quantencomputings!

Am 9. Dezember 2024 entwickelte ein Forschungsteam von Google Quantum AI erfolgreich eine neue Generation supraleitender Quantencomputerchips „Willow“, die in Wissenschaft und Industrie große Aufmerksamkeit erregte.

Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden online im weltweit führenden Wissenschaftsjournal Nature unter dem Titel „Quantum error correction below the surface code threshold“ veröffentlicht. Die Geburt des supraleitenden Quantencomputerchips Willow bedeutet, dass das Problem der Quantenfehlerkorrektur, das Wissenschaftler seit fast 30 Jahren plagt, endlich zum Erfolg geführt hat!

Abbildung 1 Forschungsergebnisse der neuen Generation supraleitender Quantencomputerchips „Willow“

(Bildquelle: Referenz [1])

Was genau ist also das Problem der „Quantenfehlerkorrektur“, das Wissenschaftler schon so lange plagt? Warum begeistert die erfolgreiche Entwicklung des supraleitenden Quantencomputerchips Willow die Wissenschaftler so sehr? Also, liebe Leser, bleiben Sie neugierig und helfen Sie uns, das Geheimnis supraleitender Quantencomputerchips zu lüften!

Quantenfehlerkorrektur: Das Engpassproblem des Quantencomputings

Rechenfehler sind ein unvermeidliches Problem in der Computertechnik und treten bei Quantencomputern noch deutlicher zutage.

Dies liegt daran, dass die grundlegende Recheneinheit des Quantencomputings, das Quantenbit, sehr empfindlich auf Rauschen und Störungen aus der äußeren Umgebung reagiert. Daher sind Quantenbits bei der eigentlichen Quantenberechnung anfällig für Rechenfehler, was die Ausgabe stabiler und zuverlässiger Rechenergebnisse erschwert. Das heißt, obwohl Quantencomputer über eine leistungsstarke parallele Rechenleistung verfügen, die klassische Computer bei der Verarbeitung bestimmter Aufgaben übertrifft, sind Quantencomputer fehleranfällig und befinden sich noch im Stadium des „Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)“ .

Um das Problem der Anfälligkeit von Quantencomputern für Rechenfehler zu lösen, haben Wissenschaftler das Konzept der „Quantenfehlerkorrektur“ vorgeschlagen. Dessen Hauptziel besteht darin, Quantencomputern die Identifizierung und Korrektur tatsächlicher Rechenfehler zu ermöglichen, ohne den Rechenprozess zu unterbrechen, und so stabile und zuverlässige Rechenergebnisse zu liefern. Daher wird die Quantenfehlerkorrektur als notwendige Voraussetzung für den Bau eines wirklich praxistauglichen Quantencomputers angesehen und stellt zugleich das Engpassproblem dar, mit dem Quantencomputer heute konfrontiert sind.

Tatsächlich schlug der Physiker Peter Shor bereits 1995 das Konzept der Quantenfehlerkorrektur vor. Die Kernidee besteht darin, mehrere physikalische Quantenbits, die besonders empfindlich gegenüber äußeren Störungen sind, zu einem sehr zuverlässigen „logischen Quantenbit“ zu kodieren und so einen verschlüsselten Schutz der Informationen zu erreichen. Auf diese Weise können Wissenschaftler anhand einiger physikalischer Qubits den Gesamtzustand dieses „logischen Qubits“ ermitteln und so eine geeignete Lösung zur Korrektur auftretender Rechenfehler finden.

Es ist zu beachten, dass „logisches Qubit“ ein abstraktes physikalisches Konzept ist. Es besteht aus mehreren zusammenarbeitenden physischen Qubits und kann Quanteninformationen durch Technologien wie Kodierung und Fehlerkorrektur schützen. Daher ist die Rechenleistung „logischer Qubits“ besser als die physikalischer Qubits und sie gelten als wirklich praktische Qubits.

Genau wie beim „Einlagern des Elefanten in den Kühlschrank“ kann auch das Quantenfehlerkorrekturschema in die folgenden drei Schritte unterteilt werden:

1. Quantencodierung: Codieren Sie die Quanteninformation eines einzelnen Quantenbits in mehrere physikalische Quantenbits, um ein „logisches Quantenbit“ zu bilden. Der Zweck besteht darin, dass selbst wenn einige physikalische Qubits fehlerhaft sind, die Quanteninformation des gesamten „logischen Qubits“ erhalten bleibt.

2. Quantenfehlererkennung: Es werden nur einige der physikalischen Qubits gemessen, um den Ort und die Art des Fehlers zu identifizieren, ohne die in den „logischen Qubits“ gespeicherte Quanteninformation zu zerstören;

3. Quantenfehlerkorrektur: Basierend auf den erkannten Fehlern verwenden Wissenschaftler spezielle Quantenfehlerkorrekturalgorithmen, um sicherzustellen, dass die Fehler effektiv korrigiert werden und so die allgemeine Rechenfehlerrate reduziert wird.

Im Idealfall gilt: Je mehr physikalische Quantenbits in das Quantenfehlerkorrekturschema einbezogen werden, desto zuverlässiger ist das „logische Quantenbit“ und desto geringer ist die allgemeine Rechenfehlerrate.

Ideale sind zwar schön, die Realität jedoch grausam. Da physikalische Quantenbits selbst auch eine gewisse Fehlerrate aufweisen und durch die Genauigkeit der Quantenmanipulation begrenzt sind , kann es bei der tatsächlichen groß angelegten Quantenfehlerkorrektur sehr wahrscheinlich zu der peinlichen Situation kommen, dass „je mehr Sie korrigieren, desto mehr Fehler entstehen“.

Abbildung 2 Künstlerisches Diagramm der Quantenfehlerkorrektur

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Damit „logische Qubits“ eine bessere Leistung als physische Qubits erzielen, muss die Fehlerrate physischer Qubits unter einem bestimmten Schwellenwert liegen. Nur auf diese Weise kann das Quantenfehlerkorrekturschema von „je mehr Sie korrigieren, desto mehr Fehler machen Sie“ in das ideale Ziel „je mehr Sie korrigieren, desto besser“ umgewandelt werden.

Supraleitendes Quantencomputing: Vorreiter in der Quantenfehlerkorrektur

Bevor wir offiziell vorstellen, wie man eine Quantenfehlerkorrektur durchführt, wollen wir uns zunächst mit einem alten Bekannten befassen: der supraleitenden Quanteninformatik.

Einfach ausgedrückt ist die Kernkomponente des supraleitenden Quantencomputings der Josephson-Kontakt. Die damit verbundenen nichtlinearen Eigenschaften ermöglichen die Kodierung bestimmter Energieniveaus in physikalische Quantenbits und bilden so die grundlegende Recheneinheit des supraleitenden Quantencomputings. Gleichzeitig muss das supraleitende Quantencomputersystem in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen von minus 273,12 °C oder weniger betrieben werden, damit die Josephson-Verbindung effektiv funktioniert.

Abbildung 3 Künstlerisches Diagramm des supraleitenden Quantencomputings

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Welche einzigartigen Vorteile hat also das supraleitende Quantencomputing, das es zur „Vorreiterrolle“ in der Quantenfehlerkorrektur macht?

Erstens sind supraleitende Quantencomputerlösungen mit den heute gängigen integrierten Schaltkreisprozessen kompatibel und bieten Vorteile wie kurze Entwicklungszyklen und hohe Skalierbarkeit. Daher können Wissenschaftler genügend physikalische Quantenbits in supraleitenden Quantencomputersystemen vorbereiten, um die Skalierungsanforderungen der Quantenfehlerkorrektur zu erfüllen.

Zweitens wurde mit dem technologischen Fortschritt und der Verbesserung der Steuerungsmöglichkeiten die Genauigkeit des supraleitenden Quantencomputings deutlich verbessert. Heute liegt die Fehlerrate von Einzel-Qubit-Gattern in supraleitenden Quantencomputersystemen unter 0,092 %, und die maximale Genauigkeit von Zwei-Qubit-Gattern kann 99 % übersteigen. Damit werden die Anforderungen an die präzisen physikalischen Qubits erfüllt, die für die Quantenfehlerkorrektur erforderlich sind.

Gerade aufgrund der beiden oben genannten Vorteile gilt die supraleitende Quantencomputertechnik als ideale Plattform zur Realisierung der Quantenfehlerkorrektur und hat ihre Leistungsfähigkeit auf dem Gebiet der Quantenfehlerkorrektur unter Beweis gestellt.

Google Willow Quantencomputerchip – ein Meilenstein in der Quantenfehlerkorrektur

Bereits 2019 entwickelte das Forschungsteam für Quanten-Künstliche Intelligenz von Google erfolgreich einen supraleitenden Quantencomputerchip namens „Sycamore“ mit 53 Quantenbits und behauptete, die „Quantenüberlegenheit“ erreicht zu haben, was als wichtiger Moment in der Geschichte der Quantencomputerentwicklung gilt.

Abbildung 4 Im Jahr 2019 entwickelte Google den supraleitenden Quantencomputerchip „Sycamore“

(Bildquelle: Referenz [3])

Im Vergleich zum supraleitenden Quantencomputerchip der vorherigen Generation „Sycamore“ verfügt der neue supraleitende Quantencomputerchip Willow nicht nur über alle Vorteile des ersteren, sondern hat auch erhebliche Verbesserungen bei der Skalierung und Leistung von Quantenbits erzielt.

Konkret verfügt der supraleitende Quantencomputerchip Willow über bis zu 105 supraleitende Qubits, was fast doppelt so viel ist wie die vorherige Generation von Quantencomputerchips. Noch wichtiger ist, dass die Quantenbit-Fehlerrate im supraleitenden Quantencomputerchip Willow deutlich gesenkt wurde. Die durchschnittliche Fehlerrate von Einzel-Qubit-Gattern beträgt lediglich 0,035 % und die durchschnittliche Fehlerrate von Doppel-Qubit-Gattern lediglich 0,33 %. Dies bedeutet, dass dieser neue Quantencomputerchip besonders für die Quantenfehlerkorrektur geeignet ist und voraussichtlich für praktische Anwendungen in großem Maßstab skaliert werden kann.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Anzahl supraleitender Quantenbits die Rechenfehlerrate des supraleitenden Quantencomputerchips Willow exponentiell abnimmt. Dies gilt als das sogenannte „Je mehr Korrekturen, desto besser“. Dies zeigt, dass der supraleitende Quantencomputerchip Willow das weltweit erste Quantencomputersystem ist, das die Rechenfehlerrate reduzieren und gleichzeitig die Anzahl der Quantenbits erhöhen kann. Dies wird auch als Meilenstein in der Quantenfehlerkorrektur angesehen.

Abbildung 5 Im Dezember 2024 wird der von Google entwickelte supraleitende Quantencomputerchip „Willow“

(Bildquelle: Google Quantum AI)

Hundert Boote konkurrieren in der Strömung: die allgegenwärtige chinesische Macht

Erwähnenswert ist, dass ein Forschungsteam der University of Science and Technology of China am 17. Dezember 2024 auch erfolgreich einen neuen supraleitenden Quantencomputerchip „Zu Chongzhi Nr. 3“ entwickelt hat. Die Forschungsergebnisse trugen den Titel „Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor“ und wurden in die Preprint-Bibliothek arXiv hochgeladen.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der supraleitende Quantencomputerchip „Zu Chongzhi Nr. 3“ ebenfalls über bis zu 105 supraleitende Quantenbits verfügt und in verschiedenen Leistungsindikatoren mit dem supraleitenden Quantencomputerchip Willow vergleichbar ist. Derzeit führt das Forschungsteam entsprechende Testarbeiten auf Basis des supraleitenden Quantencomputerchips „Zu Chongzhi Nr. 3“ durch, um den Weg für eine groß angelegte Quantenfehlerkorrektur und Quantenbitmanipulation zu ebnen.

Abbildung 6 Im Dezember 2024 entwickelte das Forschungsteam der University of Science and Technology of China außerdem erfolgreich einen neuen supraleitenden Quantencomputerchip „Zu Chongzhi Nr. 3“.

(Fotoquelle: USTC News)

Tatsächlich hat es im internationalen Wettbewerb im strategischen Bereich des Quantencomputings nie an chinesischer Macht gefehlt.

Bereits im Jahr 2021 entwickelte ein Forschungsteam der University of Science and Technology of China einen frühen inländischen supraleitenden Quantencomputerchip „Zu Chongzhi“, der über 62 supraleitende Quantenbits verfügt und zudem „Quantenüberlegenheit“ erreichte, was als wichtiger Moment in der Geschichte der chinesischen Quantencomputerentwicklung gilt. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden im weltweit führenden Wissenschaftsjournal „Science“ unter dem Titel „Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor“ veröffentlicht.

Im Jahr 2022 implementierte das Forschungsteam dann einen fehlerkorrigierenden Oberflächencode, der aus 17 Quantenbits besteht, auf dem „Zu Chongzhi Nr. 2“, einer verbesserten Version des „Zu Chongzhi“, und erreichte erstmals eine wiederholte Fehlerkorrektur des Oberflächencodes. Diese Studie demonstrierte erstmals die Machbarkeit der Verwendung von Oberflächencodes zur wiederholten Quantenfehlerkorrektur bei supraleitenden Quantencomputern. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden im renommierten Physikjournal Physical Review Letters unter dem Titel „Realization of an Error-Correcting Surface Code with Superconducting Qubits“ veröffentlicht.

Im Jahr 2023 erzielte ein Forschungsteam der Southern University of Science and Technology zudem bahnbrechende Fortschritte in der Forschung zur Quantenfehlerkorrektur bei supraleitenden Quantencomputern. Das Forschungsteam verwendete ein in Echtzeit ausgeführtes Verfahren zur wiederholten Quantenfehlerkorrektur, um die Speicherzeit von Quanteninformationen zu verlängern. Damit wurde weltweit erstmals die Gewinnschwelle überschritten und der enorme praktische Wert der Quantenfehlerkorrektur demonstriert. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der weltweit führenden Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit“ veröffentlicht.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Quantencomputing als interdisziplinäres Feld, das Quantenmechanik und Informationswissenschaft verbindet, eine der neuesten Entwicklungsrichtungen der Quantenmechanik ist und als wichtiges Symbol der „zweiten Quantenrevolution“ gilt.

Derzeit befindet sich das Quantencomputing an einem kritischen Punkt der wissenschaftlichen und technologischen Forschung und des internationalen Wettbewerbs. Es hat eine große wissenschaftliche Bedeutung und einen strategischen Wert. Es hat die Aufmerksamkeit der größten Wissenschafts- und Technologiemächte der Welt auf sich gezogen und eine große Zahl kommerzieller Technologiegiganten und führender Quantenforschungseinrichtungen sind entstanden. Die beiden wichtigsten physikalischen Implementierungsschemata, die durch supraleitende Quantencomputersysteme und Ionenfallen-Quantencomputersysteme repräsentiert werden, gelten in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als die wichtigsten technischen Wege zur Realisierung des Quantencomputings. Man kann sagen, dass wir uns derzeit am Beginn der „zweiten Quantenrevolution“ befinden und der internationale Wettbewerb sich verschärft.

Welche Schlüsselrolle spielt also neben dem uns bekannten supraleitenden Quantencomputersystem das Ionenfallen-Quantencomputersystem? Bleiben Sie neugierig, liebe Leser, und lassen Sie uns im nächsten Artikel gemeinsam weitere Quantengeheimnisse erforschen!

Quellen:

[1] Acharya R, Aghababaie-Beni L, Aleiner I, et al. Quantenfehlerkorrektur unterhalb der Oberflächencodeschwelle[J]. Natur (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y

[2] Shor P W. Schema zur Reduzierung der Dekohärenz im Quantencomputerspeicher[J]. Physikalische Überprüfung A, 1995, 52(4): R2493.

[3] Arute F., Arya K., Babbush R. et al. Quantenüberlegenheit mithilfe eines programmierbaren supraleitenden Prozessors[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[4] Gao D, Fan D, Zha C, et al. Mit dem 105-Qubit-Zuchongzhi 3.0-Prozessor[J] wird ein neuer Maßstab im Bereich der Quantencomputerleistung gesetzt. arxiv-Vorabdruck arxiv:2412.11924, 2024.

[5] Gong M, Wang S, Zha C, et al. Quantenwanderungen auf einem programmierbaren zweidimensionalen 62-Qubit-Supraleiterprozessor[J]. Science, 2021, 372(6545): 948-952.

[6] Zhao Y, Ye Y, Huang HL, et al. Realisierung eines fehlerkorrigierenden Oberflächencodes mit supraleitenden Qubits[J]. Physical Review Letters, 2022, 129(3): 030501.

[7] Ni Z, Li S, Deng X, et al. Übertreffen des Break-Even-Punkts mit einem diskret variablen kodierten logischen Qubit[J]. Nature, 2023, 616(7955): 56-60.