Künftige fehlertolerante Quantencomputer könnten den Großteil ihrer Ressourcen für die Vorbereitung der Zutaten von Berechnungen aufwenden. Magic States, spezielle Ressourcen zur einmaligen Nutzung, die für komplexe Quantenoperationen benötigt werden, sind ein wesentlicher Grund dafür. Google zufolge kann sein Willow-Chip sie nun deutlich zuverlässiger vorbereiten.
Google Quantum AI kündigte am 15. Oktober an, dass die Magic-State-Kultivierung auf Willow die Vorbereitungsfehler im Vergleich zu nicht kultivierten Zuständen um etwa das 40-Fache reduzierte. Die in Science veröffentlichte Studie meldete eine logische Fidelity von 99,99 Prozent für T-States, eine Form von Magic States.
Vereinfacht gesagt ist es Google deutlich besser gelungen, eine wichtige Zutat für komplexe Quantenberechnungen herzustellen. Das Ergebnis macht Willow noch nicht zu einem praktischen fehlertoleranten Quantencomputer – also zu einem System, das Berechnungen trotz Fehlern zuverlässig aufrechterhält –, könnte aber die Hardwarekosten senken, die eine Skalierung nützlicher Quantensysteme erschwert haben.
Magic-State-Kultivierung zielt auf kostspieligen Quantenengpass
Fehlertolerante Quantencomputer benötigen Möglichkeiten, Fehler während laufender Berechnungen zu korrigieren. Magic States helfen ihnen bei Operationen, die die standardmäßige Fehlerkorrektur allein nicht bewältigen kann; jeder Zustand lässt sich jedoch nur einmal verwenden.
Google verweist auf Schätzungen, denen zufolge die Vorbereitung von Magic States bis zu 95 % der Kapazität eines fehlertoleranten Quantencomputers verbrauchen könnte. Bei seiner Kultivierungsmethode werden verrauschte Zustände durch Messungen verfeinert und Versuche mit erkannten Fehlern verworfen.
Die Forschenden zeigten laut Interesting Engineering, dass sich die kultivierten Zustände von einem Farbcode der Distanz 3 in einen Oberflächencode der Distanz 5 übertragen lassen. Beides sind Methoden, um Quanteninformationen zu organisieren, damit Fehler erkannt und korrigiert werden können. Die als Grafting bezeichnete Übertragung ist relevant, weil ein vorbereiteter Magic State letztlich mit dem größeren Fehlerkorrektursystem zusammenarbeiten muss, das eine Berechnung ausführt. Das Experiment konnte jedoch nicht belegen, dass die Fidelity von 99,99 Prozent nach der Übertragung erhalten blieb.
Was eWeek herausgefunden hat: 40-fach ist nicht dasselbe wie quantentauglich
Die Verbesserung um das 40-Fache misst Fehler bei der Zustandsvorbereitung, nicht die Kosten oder Leistung eines vollständigen Quantencomputers. Der Forschungsbericht berichtet, dass in seinem Fidelity-Messexperiment, das zusätzliche Überprüfungen umfasste, etwa 8 % der Versuche beibehalten wurden. Dieser Wert sollte nicht als Produktionsausbeute einer künftigen Magic-State-Fabrik verstanden werden.
Für Unternehmen, die Quanten-Roadmaps bewerten, lautet die entscheidende Frage, wie viel Hardware und Zeit ein System benötigt, um nutzbare Zustände mit der erforderlichen Genauigkeit bereitzustellen. Geringere Fehlerquoten sind wertvoll, doch das Experiment belegt noch nicht die Gesamtkosten, um diese Zustände für eine nutzbare Berechnung bereitzustellen.
Messgröße | Willow-Ergebnis | Bedeutung |
Fehler bei Magic States | Etwa 40-fach niedriger | Ein kostspieliger Schritt wurde zuverlässiger – nicht der gesamte Computer. |
Fidelity der T-States | 99.99% | Der Wert gilt für vorbereitete Zustände, nicht für vollständige Algorithmen. |
Experimentelle Beibehaltung | Etwa 8 % beibehalten | Umfasst zusätzliche Überprüfungen; die künftige Produktionsausbeute ist weiterhin unbewiesen. |
Grafting-Experiment | 54 Qubits | Die Übertragung in einen größeren Code wurde demonstriert, nicht jedoch ein vollständiges Rechnersystem. |
Für die Cybersicherheit gilt dieselbe Vorsicht. CCN erklärte über Yahoo Tech, dass das Experiment weder die Fähigkeit demonstriere, Bitcoin zu knacken, noch zeige, wann ein solcher Angriff möglich werden könnte. Eine Verbesserung der Vorbereitung von Magic States um das 40-Fache bedeutet ebenfalls nicht, dass ein kryptografischer Angriff plötzlich 40-mal weniger Hardware oder Zeit benötigen würde.
Für Sicherheitsteams bedeutet Willow nicht, dass die aktuelle Verschlüsselung plötzlich veraltet ist. Google hat einen wichtigen Baustein des fehlertoleranten Quantencomputings verbessert, doch ein funktionierendes System zum Knacken von Codes würde weiterhin viele weitere Komponenten erfordern, die zuverlässig zusammenarbeiten.
Google muss noch beweisen, dass die Kultivierung sich skalieren lässt
Google hat gezeigt, dass die Kultivierung von Magic States auf echter Quantenhardware funktionieren kann. Die größere Herausforderung besteht darin, ob die Methode ihren Fehlervorteil beibehalten kann, während sie in einem größeren fehlertoleranten System wesentlich mehr saubere Zustände erzeugt.
Auf diese Zahlen sollten Unternehmen achten
Die Forschenden prognostizieren, dass eine Halbierung des zugrunde liegenden Hardware-Rauschens die Obergrenze für Fehler bei Magic States auf etwa zwei von 100.000 senken könnte. Diese Verbesserung bleibt eine Prognose und wurde nicht demonstriert.
Für Unternehmen, die die Entwicklung des Quantencomputings verfolgen, werden drei Messgrößen zeigen, ob die Kultivierung über ein vielversprechendes Experiment hinauskommt:
- Höhere Erfolgsquoten: Weniger verworfene Versuche würden bedeuten, dass mit derselben Hardware mehr nutzbare Magic States zur Verfügung stehen.
- Tests in größerem Maßstab: Google muss zeigen, dass die niedrigen Fehlerquoten auch bei einer größeren Zahl von Qubits und Zuständen Bestand haben.
- Geringerer Hardwareaufwand: Der größte Vorteil bestünde darin, den Anteil eines Quantencomputers zu verringern, der für die Vorbereitung von Magic States statt für die Ausführung von Berechnungen eingesetzt werden muss.
Willow hat eine technische Hürde genommen. Die nächste Frage lautet, ob Google diese Fortschritte auch bei einer deutlichen Vergrößerung des Systems beibehalten kann. Das wird weit mehr über praktisches Quantencomputing aussagen als die Zahl 40-fach allein.
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