Lange schienen Google und IBM mit ihren supraleitenden Prozessoren Willow und Condor die Nase vorn zu haben und das Rennen unter sich auszumachen. Doch die Tech-Giganten haben ernst zu nehmende Konkurrenz von kleineren Firmen bekommen, die mitunter ganz andere Technologien für den Bau von Quantenrechnern nutzen. So haben kürzlich Entwickler des erst 2021 gegründeten amerikanisch-britischen Unternehmens Quantinuum in der Zeitschrift „Nature“ einen programmierbaren Quantenrechner vorgestellt, der mit 98 gefangenen Barium-Ionen rechnet – und damit der größte dieser Art ist. Zwar verfügt der Condor-Prozessor von IBM über rund zehnmal so viele Qubits, diese sind aber aufgrund der statischen Bauweise schwerer zu kontrollieren und daher viel anfälliger für Rechenfehler.
Jedes geladene Teilchen des Prozessors Helios repräsentiert ein physisches Quantenbit, dessen Quantenzustand die binären Zustände „1“ und „0“ und alle Überlagerungen umfasst. Die Ionen werden mit Laserstrahlen bis zum Stillstand abgekühlt und mit elektrischen Feldern festgehalten und schweben dicht über einem fein strukturierten Chip. Das Design hat entscheidende Vorteile gegenüber den fest verdrahteten supraleitenden Resonatoren, mit denen Google und IBM ihre Qubits realisieren. Die gespeicherten Ionen lassen sich besser manipulieren und kontrollieren. Auf diese Weise können die Fehlerraten klein gehalten werden. Ein weiterer Pluspunkt: Ein Quantenrechner auf Basis geladener Atome arbeitet bei Raumtemperatur und benötigt keine aufwendige Kühlung.
Die Lösung für das Skalierungs-Dilemma
Gespeicherte Ionen waren die erste Plattform, mit der Physiker zeigen konnten, wie sich ein Quantencomputer verwirklichen ließe. Die ersten Systeme arbeiteten bereits äußerst zuverlässig mit wenigen Ionen, die nebeneinander aufgereiht in einem lang gestreckten Ionenkäfig schwebten. Als große Hürde erwies sich die Skalierbarkeit: Während sich supraleitende Qubits problemlos in großer Zahl mit Verfahren der Halbleitertechnologie auf einem Chip unterbringen lassen – ein Grund, warum IBM und Google sich auf diese Technologie spezialisiert haben –, können Quantenprozessoren auf Ionenbasis nicht so ohne Weiteres erweitert werden. Denn je mehr geladene Atome in einer Falle sitzen, desto schwieriger wird es, sie einzeln mit Laserpulsen anzusprechen, ohne die anderen Ionen dabei zu stören. Mit der Zahl der Ionen steigt nämlich die Fehleranfälligkeit. Das ist der Grund, warum die besten Prototypen lange über nicht mehr als 50 gespeicherte Quantenbits verfügten. Das ist zu wenig für ein halbwegs leistungsfähiges System, das relevante Probleme lösen können soll.
Mit einer ausgeklügelten Prozessorarchitektur haben die Forscher von Quantinuum einen Ausweg aus dem Skalierungs-Problem gefunden. Der fingernagelgroße Chip Helios besteht aus einem System hintereinandergeschalteter, nur einige Dutzend Mikrometer großer Ionenkäfige. Sie fungieren als Speicher und Rechenwerk. Mit elektrischen Feldern und unzähligen Elektroden werden die Ionen vom Speicher in das Rechenwerk geführt. Dort stehen Laser bereit, deren Licht jeweils zwei Ionen miteinander verschränken und von einem Quantenzustand in einen anderen überführen. Damit lassen sich elementare Quantengatter verwirklichen, die logische Operationen ausführen. Nach Angaben der Forscher können bis zu 16 Qubits gleichzeitig verarbeitet werden. Ist die Rechenoperation erledigt, werden die Teilchen wieder zurück in den Speicher transferiert und wird der nächste Schub an Quantenbits ins Rechenwerk transferiert. Auf diese Weise können alle Ionen miteinander in Kontakt gebracht werden.
Helios besteht Lackmustest für Quantencomputer
Um die Leistungsfähigkeit ihres Prozessors zu testen, haben die Forscher komplexe Berechnungen ausgeführt. Darunter war eine – speziell auf Quantenrechner zugeschnittene – Aufgabe aus der Quantenstatistik. Solche Probleme werden häufig dazu genutzt, um die Rechenüberlegenheit gegenüber klassischen Supercomputern zu demonstrieren. Die Zuverlässigkeit der Berechnungen beziffern die Forscher mit 99,92 Prozent. Das bedeutet, bei 1000 Operationen trat im Mittel weniger als einmal ein Fehler auf. Nutzte man ein einzelnes Qubit als logisches Gatter, war die Güte um eine Größenordnung besser. Damit zählt Helios zu den derzeit genauesten Quantenrechnern auf dem Markt.
Dass der Quantenprozessor Helios in der Lage ist, auch Fragestellungen von wissenschaftlicher Relevanz zu lösen, haben Physiker von Quantinuum an einem komplexeren Problem aus der Festkörperphysik demonstriert: dem Verhalten von Elektronen in einem Hochtemperatur-Supraleiter. Warum ein solches Material bei vergleichsweise hohen Temperaturen seinen elektrischen Widerstand verliert und die Elektronen reibungslos durch das Atomgitter wandern können, ist noch immer nicht völlig verstanden. In der theoretischen Physik wird die Wechselwirkung der Elektronen untereinander mit dem sogenannten Fermi-Hubbard-Modell beschrieben. Die Gleichungen sind wegen ihrer Komplexität mit einem klassischen Computer nur näherungsweise zu lösen. Ein Quantencomputer wie Helios ist dafür besser geeignet, wie die Forscher um Henrik Dreyer in ihrer bisher erst auf dem Preprint-Server „arXiv“ erschienenen Arbeit zeigen.
Allerdings hat „Helios“ auch seine Schwächen. Der Quantencomputer ist vergleichsweise langsam. Der Transfer der Ionen aus dem Speicher in das Rechenwerk und das Laserkühlen erfordern dabei die meiste Zeit. „In einer idealen Plattform sollte der Großteil der Zeit für die Quantenrechung genutzt werden“, sagt Hannes Bernien vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Innsbruck gegenüber dem deutschen Science Media Center. Zudem sei man mit knapp 100 Qubits noch Größenordnungen von einem Quantencomputer entfernt, der wirklich praktische Probleme lösen kann. „Es wird geschätzt, dass eher Hunderttausende bis mehrere Millionen Qubits nötig sind.“
Wie andere Firmen beabsichtigt auch Quantinuum, die Zahl der Ionen und die der Qubits sukzessive zu erhöhen. Im kommenden Jahr will das Unternehmen einen Quantenrechner präsentieren, der mit 192 Ionen-Qubits rechnet. Und 2029 will man einen Prozessor auf den Markt bringen, der laut Firmenangaben über Tausende von physikalischen Qubits verfügen und „vollständig fehlertolerant“ sein soll.
