Google, bedeutender Durchbruch im Quantencomputing

Google hat auf seinem Willow-Prozessor eine Technik namens „Magic-State-Kultivierung“ validiert, die die Quantenfehlerrate drastisch senkt.

Quantencomputer versprechen, durch gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Möglichkeiten eine exponentielle Rechenleistung zu erreichen. Unter den aktuellen technischen Bedingungen sind wir von diesem Idealzustand jedoch noch weit entfernt.

Es ist bekannt, dass in der Quantenberechnung Photonen (oder Lichtteilchen) als Quantenbits verwendet werden. Wenn sie miteinander verbunden sind, verfügen sie über eine stärkere Verarbeitungsleistung als die von herkömmlichen Computern genutzten binären 0 und 1. Quantenbits können gleichzeitig 0 und 1 sein und sich in einem Überlagerungszustand (Superposition State) befinden, was es ihnen ermöglicht, Informationen schneller zu verarbeiten.

Quantenbits neigen jedoch zu häufigen Fehlern, sodass Quantencomputer derzeit noch Einschränkungen aufweisen. Um diese Fehler zu überwinden, müssen die Maschinen sogenannte „Magic States“ nutzen – Wissenschaftler der Google-Forschung glauben, dass der von ihnen entwickelte Quantenchip dazu beitragen könnte, dieses Ziel zu erreichen.

Die entsprechende Studie wurde am Donnerstag in der Zeitschrift *Science* veröffentlicht. Wie bekannt ist, hat Google auf seinem Willow-Prozessor eine Technik namens „Magic-State-Kultivierung“ (magic state cultivation) validiert, die die Quantenfehlerrate um etwa das 40-fache senkt: Ohne Kultivierung sind etwa 4 von 1000 Magic States fehlerhaft; nach Anwendung der Kultivierung ist nur etwa 1 von 10.000 fehlerhaft. Die logische Treue des T-Zustands erreicht 99,99 %. Dies ist der bisher höchste Rekord in diesem Bereich.

„Magic States“ sind ein Schlüsselelement für die Umsetzung des universellen Quantencomputings. Wenn Quantenprozessoren komplexe Operationen ausführen wollen, die klassische Computer übertreffen, müssen sie auf Magic States angewiesen sein, um die erforderlichen Sätze von Quantenoperationen zu generieren. Sobald Magic States jedoch verwendet wurden, können sie nicht wiederverwendet werden, was sie zu einer knappen Ressource macht. Außerdem ist die Generierung von Magic States mit einer ausreichend niedrigen Fehlerrate seit jeher eine große Herausforderung für den Aufbau praktikabler Großsysteme.

Darüber hinaus liegt die größere Herausforderung in den Produktionskosten. Einige Studienschätzungen zeigen, dass Quantencomputer möglicherweise bis zu 95 % ihrer gesamten Rechenleistung für die Herstellung von Magic States aufwenden müssen, sodass nur sehr wenige Ressourcen für die tatsächlichen Berechnungsaufgaben übrig bleiben. Dieser Engpass wurde bereits 2004 von Forschern vorhergesehen. In den folgenden zwanzig Jahren hat die akademische Welt kontinuierlich nach Methoden zur Senkung der Produktionskosten von Magic States gesucht, aber die Fortschritte waren langsam.

In der oben genannten neuen Studie zeigten die Forscher, wie eine von der Gartenarbeit inspirierte Technik namens „Kultivierung“ (cultivation) genutzt werden kann, um „Magic States“ zu geringeren Kosten bereitzustellen.

Die Forschungsergebnisse stellen eine experimentelle Validierung des 2024 vorgeschlagenen theoretischen Verfahrens dar. Damals schlugen die Google Quantum AI-Forscher Craig Gidney, Noah Shutty und Cody Jones auf Basis vorhandener Literatur das Konzept der Magic-State-Kultivierung vor.

Der Kerngedanke besteht darin, den Herstellungsprozess von Magic States als einen Satz von „Filtermechanismen“ zu gestalten: Google nutzt kooperative Messungen, um Fehler zu erkennen und ungültige Versuche herauszufiltern, sodass mit weniger Ressourcen Quantenzustände höherer Qualität erzeugt werden.

Die neueste Studie bestätigt, dass dieses Verfahren auf dem Willow-Quantenprozessor eine logische Treue von 99,99 % für den T-Zustand (einen speziellen Quantenzustand, der in der Quantenberechnung verwendet wird) erreicht und damit den Rekord in diesem Bereich neu setzt.

Neben der Reduzierung von Fehlern haben die Google-Forscher außerdem nachgewiesen, dass gereinigte Quantenzustände zwischen zwei verschiedenen Fehlerkorrekturmethoden übertragen werden können. Dies markiert einen Fortschritt bei der Integration dieser Technik in die bestehende Architektur von Google.

Trotz der oben genannten Fortschritte hat Google jedoch klargestellt, dass zur Ausweitung dieser Technik auf den praktischen Bereich des Quantencomputings weitere Forschungen erforderlich sind. Diese Erkenntnisse bieten jedoch einen potenziellen Weg, um die für den Aufbau fehlertoleranter Quantensysteme erforderlichen Hardwareressourcen zu reduzieren.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Offiziellen Konto „Kechuang Daily“, Autor: HUANG Junzhi, veröffentlicht mit Genehmigung von 36Kr.