Wissenschaftler von Quantinuum haben die Entwicklung von Helios angekündigt, einem bahnbrechenden Quantencomputer, der angeblich der leistungsstärkste derzeit verfügbare Computer ist. Dieses neue System verfügt über Fähigkeiten, die selbst die leistungsstärksten Supercomputer übertreffen, und benötigt möglicherweise mehr Energie als ein Quasar – ein unglaublich helles Himmelsobjekt –, um mit herkömmlichen Rechenmethoden eine vergleichbare Leistung zu erzielen. Der Durchbruch birgt ein enormes Potenzial für wissenschaftliche Entdeckungen und technologischen Fortschritt.
Die Architektur von Helios
Das Herzstück von Helios ist eine Quantenverarbeitungseinheit (QPU), die aus 98 physikalischen Qubits besteht, die jeweils aus Bariumionen bestehen. Diese Qubits sind in einer einzigartigen „Junction-Ionenfallen“-Formation angeordnet, die einem Ring mit einer Kreuzungsverbindung an der Basis ähnelt und sich in zwei parallele Stäbe erstreckt.
Leistungssteigerung durch Fehlerkorrektur
Diese besondere Anordnung verbessert die Fehlererkennung und -korrektur erheblich und führt zu einer überlegenen Leistung im Vergleich zu vorhandenen QPUs. Quantenforscher erreichten dies, indem sie die 98 physikalischen Qubits in 48 vollständig fehlerkorrigierte logische Qubits verknüpften. Diese logischen Qubits funktionieren als gepaarte Sätze und enthalten Ersatz-Qubits, um die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls zu minimieren. Das Team demonstrierte eine Leistung, die „besser als die Gewinnschwelle“ ist, was bedeutet, dass Fehlerkorrekturcodes tatsächlich die Leistung des Prozessors verbessern, verglichen mit der Ausführung von Berechnungen ohne sie – eine herausfordernde Leistung. Während frühere Annahmen ein Verhältnis von physikalischen zu logischen Qubits von 10:1 nahelegten, erreichte Quantinuum ein beeindruckendes Verhältnis von 2:1 und ebnete damit den Weg für die Skalierung auf noch größere Systeme.
Neue Programmiersprache und Steuerungs-Engine
Als Ergänzung zur Hardware entwickelte das Team Guppy, eine neue Programmiersprache, die auf dem weit verbreiteten Python basiert und auf Kompatibilität mit zukünftigen fehlertoleranten Systemen ausgelegt ist. Entscheidend ist, dass sie auch einen hochentwickelten Steuerungsstapel bauten, einschließlich einer Echtzeit-Steuerungs-Engine – dem „klassischen Gehirn“ der Maschine –, die Fehler erkennen und beheben kann. Diese Engine verwendet Nvidia-GPUs, um Fehlerinformationen zu dekodieren und Korrekturen an den Quantencomputer zurückzusenden, um einen effizienten Betrieb und eine Fehlerminderung zu gewährleisten.
Benchmarking und Treue
Das Helios-System hat in einer Reihe von Benchmark-Experimenten eine außergewöhnliche Leistung gezeigt. Die QPU erreichte eine bemerkenswerte Wiedergabetreue von 99,921 % über alle Qubit-Paare und eine Wiedergabetreue von 99,9975 % über Einzel-Qubit-Quantengatter. Das Team brach frühere Rekorde im RCS-Benchmark (Random Circuit Sampling), der zuvor von Willow QPU von Google aufgestellt wurde, und festigte Helios‘ Position als Marktführer im Bereich Quantencomputing weiter.
Die Bedeutung der Fehlerkorrektur
Während einige Quantencomputer über mehr physikalische Qubits verfügen, hängt die Leistung von der Qualität der Qubits und der Minimierung der Fehlerraten ab. Aus diesem Grund konzentrieren sich Wissenschaftler zunehmend auf die Quantenfehlerkorrektur (Quantenfehlerkorrektur, QEC), die die deutlich höheren Fehlerraten in Qubits im Vergleich zu Bits in herkömmlichen Computern angeht.
Neue Entdeckungen durch Simulation
Um die Fähigkeiten von Helios zu demonstrieren, simulierten Wissenschaftler ein bei hohen Temperaturen supraleitendes Metall und offenbarten dabei ein bisher unbekanntes Elektronenverhalten. Sie fanden heraus, dass sich Elektronen im supraleitenden Zustand durch Verschränkung paaren – ein „Signatur der Supraleitung“ – und diese Signatur verschwindet, wenn das Metall nicht supraleitend ist.
Das Unbeobachtbare beobachten
Diese Beobachtung beruhte auf einem Modell, das auf einem früheren Experiment basierte, bei dem Wissenschaftler kurzzeitig Supraleitung in einem Stück La3Ni2O-Metall induzierten. Diese Simulation ermöglichte es Wissenschaftlern, Phänomene auf atomarer Ebene zu beobachten – etwas, das in herkömmlichen „Nasslabor“-Experimenten, in denen das Material vorhanden ist, unmöglich ist. Die neue Maschine ist der erste Quantencomputer, der dieses Phänomen beobachten kann, und eröffnet neue Wege für die materialwissenschaftliche Forschung.
Der Weg in die Zukunft
Quantinuum ist von der Skalierbarkeit dieser innovativen Quantencomputing-Architektur überzeugt. Das Design der Übergangs-Ionenfalle ermöglicht ein effizientes Qubit-Routing und -Pairing, und Forscher stellen sich die Integration zahlreicher solcher Verbindungen in zukünftige Maschinen vor, was eine massive Skalierung ermöglicht und das Quantencomputing näher an die Fähigkeiten klassischer Supercomputer bringt.
„Man kann es sich als einen Verkehrsknotenpunkt für die Qubits vorstellen, um sie wirklich effizient zu leiten und zu paaren“, sagte Hayes und bezog sich dabei auf die Kreuzung, die dem Ring in der neuen Anordnung folgt. „Und jetzt, da wir dieses funktionieren, denken wir, dass es ziemlich einfach sein sollte, viele dieser Dinge einzubauen, um das Fenster in die Maschine der nächsten Generation zu schließen und diese Maschinen wirklich auf große Zahlen zu skalieren.“
Die Entwicklung von Helios stellt einen bedeutenden Fortschritt im Quantencomputing dar, bietet beispiellose Leistung und Präzision für die wissenschaftliche Forschung und ebnet den Weg für zukünftige Durchbrüche in verschiedenen Bereichen.
