Harvard enthüllt weltweit ersten logischen Quantenprozessor.

Harvard-Forscher haben einen bedeutenden Meilenstein in der Quantencomputing erreicht, indem sie einen programmierbaren logischen Quantenprozessor entwickelt haben, der in der Lage ist, 48 logische Qubits zu codieren und Hunderte von logischen Gate-Operationen durchzuführen. Diese Fortschritte, die als möglicher Wendepunkt in diesem Bereich gefeiert werden, sind die erste Demonstration einer algorithmischen Ausführung im großen Maßstab auf einem fehlerkorrigierten Quantencomputer.

Der Durchbruch der Harvard University im Quantencomputing umfasst einen neuen logischen Quantenprozessor mit 48 logischen Qubits, der eine algorithmische Ausführung im großen Maßstab auf einem fehlerkorrigierten System ermöglicht. Diese Entwicklung, unter der Leitung von Mikhail Lukin, stellt einen bedeutenden Fortschritt hin zu praktikablen, fehlertoleranten Quantencomputern dar.

Bei der Quantencomputing handelt es sich um ein quantenmechanisches Bit oder "Qubit", das eine Einheit von Informationen ist, ähnlich wie ein binäres Bit im klassischen Computing. Seit mehr als zwei Jahrzehnten haben Physiker und Ingenieure gezeigt, dass Quantencomputing prinzipiell möglich ist, indem sie Quantenteilchen - seien es Atome, Ionen oder Photonen - manipulieren, um physische Qubits zu erzeugen.

Aber die erfolgreiche Nutzung der Eigenart der Quantenmechanik für die Berechnung ist komplizierter als das bloße Ansammeln einer ausreichend großen Anzahl an physischen Qubits, die von Natur aus instabil sind und dazu neigen, aus ihren Quantenzuständen zusammenzubrechen.

Die eigentlichen Währung im nützlichen Quantencomputing sind sogenannte logische Qubits: Bündel von redundanten, fehlerkorrigierten physischen Qubits, die Informationen für die Verwendung in einem quantenmechanischen Algorithmus speichern können. Die Schaffung von logischen Qubits als steuerbare Einheiten, ähnlich wie bei klassischen Bits, war ein grundlegendes Hindernis für das Feld, und es gilt allgemein als akzeptiert, dass die Technologie erst dann wirklich in Gang kommt, wenn Quantencomputer zuverlässig auf logischen Qubits laufen können. Bisher haben die besten Computersysteme nur ein oder zwei logische Qubits und eine Quantengate-Operation - ähnlich wie nur eine Einheit Code - zwischen ihnen gezeigt.

Ein Team unter der Leitung des Quantenexperten Mikhail Lukin (rechts) hat einen Durchbruch im Quantencomputing erzielt. Dolev Bluvstein, ein Doktorand in Lukins Labor, war Erstautor des Papiers. Credit: Jon Chase/Harvard Staff Photographer

Ein Team der Harvard University unter der Leitung von Mikhail Lukin, dem Joshua und Beth Friedman University Professor für Physik und Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative, hat einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einem stabilen, skalierbaren Quantencomputing erreicht. Zum ersten Mal hat das Team einen programmierbaren logischen Quantenprozessor geschaffen, der bis zu 48 logische Qubits codieren und Hunderte von logischen Gate-Operationen ausführen kann. Ihr System ist die erste Demonstration einer algorithmischen Ausführung im großen Maßstab auf einem fehlerkorrigierten Quantencomputer und läutet das Zeitalter der frühen fehlertoleranten, oder zuverlässig unterbrechungsfreien, Quantenberechnung ein.

In der Zeitschrift Nature veröffentlicht, wurde die Arbeit in Zusammenarbeit mit Markus Greiner, dem George Vasmer Leverett Professor für Physik, Kollegen des MIT und der in Boston ansässigen Firma QuEra Computing durchgeführt, die auf Technologie aus den Laboren der Harvard University basiert. Das Büro für Technologieentwicklung der Harvard University hat kürzlich einen Lizenzvertrag mit QuEra für ein Patentportfolio abgeschlossen, das auf Innovationen aus Lukins Gruppe basiert.

Lukin beschrieb den Erfolg als möglichen Wendepunkt, vergleichbar mit den Anfängen des Gebiets der künstlichen Intelligenz: Die Ideen der Quantenfehlerkorrektur und der Fehlertoleranz, die lange Zeit theoretisiert wurden, beginnen Früchte zu tragen.

"Ich denke, dies ist einer der Momente, in denen klar ist, dass etwas ganz Besonderes kommt", sagte Lukin. "Obwohl noch Herausforderungen bevorstehen, erwarten wir, dass dieser neue Fortschritt den Fortschritt hin zu groß angelegten, nützlichen Quantencomputern stark beschleunigen wird."

Der Durchbruch baut auf mehreren Jahren Arbeit an einer Quantencomputing-Architektur auf, die als neutrales Atomarray bekannt ist und in Lukins Labor entwickelt wurde und nun von QuEra kommerzialisiert wird. Die Hauptkomponenten des Systems sind ein Block aus ultrakalten, suspendierten Rubidiumatomen, in dem sich die Atome - die physischen Qubits des Systems - bewegen und während der Berechnung miteinander verbunden werden können, also "verschränkt" sind. Verschränkte Paare von Atomen bilden Gates, die Einheiten von Rechenleistung darstellen. Zuvor hatte das Team niedrige Fehlerquoten in seinen Verschlingungsoperationen nachgewiesen und damit die Zuverlässigkeit ihres Neutral-Atomarray-Systems bewiesen.

"Dieser Durchbruch ist eine Meisterleistung des Quantenengineerings und -designs", sagte Denise Caldwell, stellvertretende Direktorin der Abteilung für mathematische und physikalische Wissenschaften der National Science Foundation, die die Forschung durch die Programme NSF's Physics Frontiers Centers und Quantum Leap Challenge Institutes unterstützt hat. "Das Team hat nicht nur die Entwicklung der Quanteninformationsverarbeitung durch den Einsatz von neutralen Atomen beschleunigt, sondern auch eine neue Tür für die Erforschung von logischen Qubit-Geräten im großen Maßstab geöffnet, die transformative Vorteile für Wissenschaft und Gesellschaft insgesamt ermöglichen könnten."

With their logical quantum processor, the researchers now demonstrate parallel, multiplexed control of an entire patch of logical qubits, using lasers. This result is more efficient and scalable than having to control individual physical qubits.

“We are trying to mark a transition in the field, toward starting to test algorithms with error-corrected qubits instead of physical ones, and enabling a path toward larger devices,” said paper first author Dolev Bluvstein, a Griffin School of Arts and Sciences Ph.D. student in Lukin’s lab.

The team will continue to work toward demonstrating more types of operations on their 48 logical qubits, and to configure their system to run continuously, as opposed to manual cycling as it does now.