Quantensprung beim Quantum-Prozessor Der Quantenchip Google Willow

Mit seinem neuen Quantenprozessor „Willow“ will Google fortan das Schritttempo in Sachen Quantensprung vorgeben: Der bloß 105 Qubits starke Chip bewältigt anspruchsvolle Berechnungen, für die ein klassischer Supercomputer 10 Septillionen Jahre brauchen soll, in gerade einmal fünf Minuten. Mit stabileren Qubits und verbesserter Fehlerkorrektur soll der Chip die Quantenrevolution in Gang setzen.

Willow markiert einen bedeutenden Meilenstein — insgesamt Googles dritten — auf dem Weg zu praxistauglichen Quantenchips. Von „Foxtail“ (2017) über „Bristlecone“ (2018) und „Sycamore“ (2019) hat sich Google einen abgebrochen, die Dekohärenz seiner supraleitenden Qubits im Zaum zu halten. Jetzt ist es endlich soweit.

Mit seinen 105 supraleitenden Qubits, den so genannten Transmons, und einer optimierten Architektur der Schaltkreise setzt Willow neue Maßstäbe hinsichtlich der Stabilität und Skalierbarkeit.

Die Transmons

Die grundlegenden Bausteine von Willow bilden Transmons (kurz für „transmission line shunted plasma oscillation qubits“), eine der am häufigsten verwendeten Qubit-Architekturen in supraleitenden Quantenchips. Transmons basieren auf einem supraleitenden Schwingkreis, der speziell entwickelt wurde, um die Empfindlichkeit gegenüber Ladungsrauschen zu reduzieren.

Das Herzstück eines Transmons bildet der „Josephson-Kontakt“. Er besteht aus zwei supraleitenden Elektroden, die durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind. Der Kontakt ermöglicht es, einen Stromfluss ohne Spannung (Josephson-Effekt) zu erzeugen. Die resultierende nichtlineare Induktivität ist entscheidend für die Qubit-Funktion.

Transmons kombinieren Josephson-Kontakte mit Kondensatoren. Der Kondensator, parallel zum Josephson-Kontakt geschaltet, dient zur Kontrolle der Energiewerte und zur Reduktion der Empfindlichkeit gegenüber Ladungsrauschen, das in früheren supraleitenden Qubits (zum Beispiel 'Cooper-Paar-Boxen') ein großes Problem darstellte.

Rechnen mit unterschiedlichen Energiewerten

Durch die Wechselwirkung zwischen der nichtlinearen Induktivität des Josephson-Kontakts und der Kapazität des Kondensators entstehen die quantisierten Energieniveaus des supraleitenden Schwingkreises. Die beiden niedrigsten Energienlevel repräsentieren die Qubit-Zustände ∣0⟩ und ∣1⟩.

Der Kondensator reduziert hierbei die Abhängigkeit des Transmons von der Ladung auf dem Schwingkreis. Dadurch bleibt der Qubit-Zustand stabiler gegenüber Umgebungsstörungen.

Im Gegensatz zu einem rein harmonischen Oszillator, bei dem die Energieniveaus gleichmäßig verteilt sind, sorgt die Nichtlinearität des Josephson-Kontakts dafür, dass die Energiedifferenzen zwischen den Niveaus ungleich sind. Dies ermöglicht es, die Zustände ∣0⟩ und ∣1⟩ gezielt anzusprechen, ohne höhere Niveaus zu beeinflussen.

Zur Steuerung des Zustands eines Transmons kommen Mikrowellenpulse zum Tragen. Diese Pulse haben eine präzise Frequenz, die mit der Energiedifferenz zwischen den Zuständen ∣0⟩ und ∣1⟩ übereinstimmt.

Die Kontrolle

Ein Qubit kann entweder im Zustand ∣0⟩ oder ∣1⟩ sein oder eine Überlagerung der beiden Zustände einnehmen, zum Beispiel ∣ψ⟩=α∣0⟩+β∣1⟩. Dabei sind α und β komplexe Zahlen, die die Wahrscheinlichkeitsamplituden darstellen.

Durch das ausgeklügelte Verhältnis von kapazitiver und induktiver Energie in den Schaltkreisen werden die Energiezustände „flacher“, was zu einer höheren Fehlertoleranz führt. Dies ermöglicht präzisere Berechnungen bei gleichzeitig reduzierter Dekohärenz. So erzeugen Transmons ihre gut kontrollierbaren Qubit-Zustände.

Die Energiedifferenz zwischen den Zuständen ∣0⟩ und ∣1⟩ wird in supraleitenden Qubits durch die Eigenschaften des Josephson-Kontakts und des Schwingkreises bestimmt. Um den Zustand eines Qubits zu manipulieren, zum Beispiel von ∣0⟩ in ∣1⟩ zu versetzen, wird ein Mikrowellenpuls mit einer Frequenz angelegt, die genau dieser Energiedifferenz entspricht (Resonanzfrequenz). Durch die Dauer und Amplitude der Pulse lässt sich der Zustand auf eine kontrollierte Art und Weise manipulieren.

Rauschdämpfung

Flachere Energiezustände tragen entscheidend zur Reduzierung von Rauschen, zur Verbesserung der Stabilität und zur Verlängerung der Dekohärenzzeiten bei. Diese Eigenschaften machen Transmons zu einer bevorzugten Qubit-Architektur in supraleitenden Quantencomputern wie Willow von Google.

Transmons sind eine ausgereifte Technologie, die durch ihre robuste Architektur und reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Rauschen herausragt. Sie sind der Grundpfeiler vieler moderner Quantencomputer. Die Kombination aus einfacher Herstellung, guten Kohärenzzeiten und präziser Steuerung macht Transmons zu einem der bevorzugten Qubit-Typen in der supraleitenden Quantencomputing-Forschung.

Transmons haben eine vergleichsweise einfache Geometrie, was die Fertigung erleichtert. Sie sind zudem gut skalierbar und daher ideal für komplexere Quantenprozessoren wie Sycamore oder Willow. Die Kopplung von Transmons zur Ausführung von Zwei-Qubit-Gates ist dennoch technisch anspruchsvoll, da der Crosstalk zwischen Qubits eine erhebliche Herausforderung darstellt.

Mit einer Kohärenzzeit von bis zu 100 Mikrosekunden übertrifft Willow frühere Generationen um das Fünffache. Diesen Sprung schreibt Google der optimierten Materialauswahl, der verbesserten Schaltkreiskonstruktion und Fortschritten in der Fehlerkorrektur zu.

Wählerisch bei der Materialbeschaffung

Googles Qubits basieren auf supraleitenden Schaltkreisen, die bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben werden müssen. Selbst minimale Wechselwirkungen mit der Umgebung, sei es mikroskopische Wärmeschübe oder elektromagnetische Felder, können die fragile Quanteninformation zerstören. Die begrenzte Kohärenzzeit macht eine fortschrittliche Fehlerkorrektur unverzichtbar.

Winzige Unreinheiten in den Materialien, aus denen sich die supraleitenden Schaltkreise zusammensetzen, können zu Informationsverlusten führen und die Qubit-Performance beeinträchtigen. Darum verwendet Google in Willow hochreines Niob und Aluminium und setzt auf präzise Bearbeitungstechniken, um die Grenzflächen möglichst frei von Defekten zu halten. Dies reduziert Energieverluste und verbessert die Stabilität der Qubits.

Die Fehlerkorrektur

Eine der zentralen Neuerungen von Willow ist ein verbessertes Quantenfehlerkorrekturmodell. Neue Algorithmen zur Fehlerkorrektur setzen auf skalierbaren logischen Qubits auf. Google versucht, durch die Kombination physischer Qubits zu logischen Qubits die Dekohärenz effizienter zu kompensieren. Dies hat zum Ziel, längere Berechnungen, ohne den Verlust der Zustandsintegrität zu ermöglichen.

Die Kohärenzzeit wurde bei Willow auf bis zu 100 Mikrosekunden gesteigert – ein Wert, der etwa fünfmal höher ist als noch bis einschließlich Sycamore. Diese Verbesserung führt Google auf eine Kombination aus optimierten Schaltkreisen und einer verbesserten kryogenen Isolation zurück, welche den Betrieb bei extrem niedrigen Temperaturen im Bereich von gerade einmal circa 10 Millikelvin ermöglicht. Die verbesserte Präzision der Temperaturkontrolle soll thermisches Rauschen im Zaum halten.

Ein bekanntes Problem bei supraleitenden Schaltkreisen ist die Bildung von Quasi-Teilchen, die Energie absorbieren und so die Qubit-Zustände destabilisieren können. Google hat mit Willow Fortschritte in der Unterdrückung dieser Quasiteilchen erzielt, beispielsweise durch spezielle Schichtdesigns und verbesserte Materialbearbeitung.

Die Kopplung von Transmons

Willow nutzt Mikrowellenresonatoren, um Transmons miteinander zu koppeln. Diese Kopplung bildet die Grundlage für parallele Berechnungen und die Umsetzung komplexer Algorithmen. Optimierte Quanten-Gatter und fortschrittliche Fehlerkorrekturmechanismen ermöglichen die logische Kombination mehrerer Qubits, ohne dass die Fehlerrate exponentiell ansteigt.

Ein weiterer technischer Fortschritt von Willow liegt in der verbesserten Präzision der Quantum Gates. Die 'Controlled-Z-Gates' des Chips erreichen eine Fidelity von über 99,8 Prozent, was die Fehlerrate bei Operationen drastisch senkt. Diese Entwicklungen ermöglichen längere und komplexere Berechnungen und legen die Grundlage für den nächsten großen Meilenstein in der Quantencomputing-Forschung: die Realisierung praktisch nutzbarer Quantenalgorithmen.

Die in Willow implementierte Quantenfehlerkorrektur kombiniert physische und logische Qubits, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Zustandsverlusten signifikant sinkt.

Vergleichbarkeit und Überlegenheit

Einen Nachweis der Überlegenheit von Quantencomputern (Englisch: Quantum Supremacy) in bestimmten Szenarien will Google bereits im Jahre 2019 mit seinem Sycamore-Chip erbracht haben. Quantum Supremacy beschreibt den Punkt, an dem ein Quantencomputer eine Aufgabe löst, bei der ein klassischer Supercomputer versagen würde. Doch Papier ist geduldig.

Der Begriff Quantum Supremacy ist ja auch zugegebenermaßen ziemlich schwammig. Quantum Supremacy steht und fällt nämlich mit der Wahl der zu lösenden Aufgabe und hängt zum Teil auch von den Fähigkeiten klassischer Computer ab, mit denen sie sich messen soll (während sie sich beständig weiterentwickeln). Kritiker argumentieren, dass die Aufgaben, die bisher zur Demonstration von Quantum Supremacy genutzt wurden, wenig praktische Relevanz haben – wie das Random Circuit Sampling.

Bei Random Circuit Sampling (RCS) handelt es sich um ein hypothetisches Problem, welches so aufgestellt wurde, dass es für klassische Computer schwierig und für Quantencomputer lösbar ist. RCS dient primär als Benchmark, um die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu bewerten. Im Kontext vom Google Willow-Prozessor beispielsweise steht RCS als Methode zur Validierung und Demonstration der Fortschritte in der Quantenberechnung im Mittelpunkt, zeigt aber zugleich die Kluft zwischen experimentellen Quantencomputern und ihrem potenziellen praktischen Nutzen.

Supremacy versus Advantage

Bei RCS handelt es sich um ein Verfahren, bei dem Zufallsschaltkreise erstellt und deren Ausgangsverteilungen analysiert werden, um die Überlegenheit eines Quantencomputers über klassische Computer – also die so genannte Quantenüberlegenheit – zu demonstrieren. Kritiker bemängeln jedoch, dass Random Circuit Sampling keine praktischen Anwendungen hat. Es liefert keine direkte Lösung für realweltliche Probleme und ist eher ein theoretischer Maßstab.

Es ließe sich sicherlich argumentieren, dass RCS wie andere synthetische Benchmarks den Weg für zukünftige Anwendungen ebnen kann, weil es Chips vergleichbar macht. Es zwingt Entwickler, Hardware und Algorithmen zu optimieren, was indirekt Fortschritte in Richtung praxisrelevanter Quantenanwendungen fördern soll. Dennoch bleibt der Vorwurf bestehen: Als 'Proof of Concept' mag RCS faszinierend sein, aber seine Bedeutung für die Lösung praktischer Probleme steht noch auf einem anderen Blatt.

Anstatt den Nachweis der Quantenüberlegenheit in einer rein akademischen Aufgabe zu erbringen, forcieren einige Marktakteure doch lieber konkrete Lösungsansätze mit realen Vorteilen in praktischen Anwendungsszenarien, Stichwort: Quantum Advantage.

Unter Beschuss

Der Technik-Riese aus Mountain View scheint offenbar ein paar gute Nachrichten echt dringend nötig zu haben; denn kürzlich war der Google-Konzern etwas ungewollt in den Schlagzeilen. Die föderale Aufsichtsbehörde der Vereinigten Staaten FTC hatte die Absplittung des Web-Browser „Google Chrome“ vom Google- und dem Mutterkonzern Alphabet als Notmaßnahme ins Gespräch gebracht, um das Suchmaschinen- (und Werbe-) Monopols des Anbieters in den Griff zu bekommen.

Mit der Suchmaschine und Google Chrome, Android OS und seiner Mega-Cloud ist Alphabet recht breit aufgestellt, aber auch nur einen Stiftschwung von der Zerschlagung entfernt. Mit Quantencomputing versucht sich der Konzern, auf eine neue Art und Weise unersetzlich zu machen. Das wird wohl noch etwas dauern.

Google fertigt den Willow-Chip im eigenen Santa-Barbara-Labor unter Einsatz fortschrittlicher Lithographietechniken. Der Fokus liegt auf einer präzisen Verarbeitung und der Minimierung von Materialfehlern, um die Leistungsfähigkeit der supraleitenden Schaltkreise zu maximieren. Kryogene Systeme gewährleisten die extrem niedrigen Betriebstemperaturen, die für den Einsatz von Transmons erforderlich sind.

Mit der Kombination aus fortschrittlichen Transmons, einer stabilen Architektur und optimierter Fehlerkorrektur markiert Willow einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zur praktischen Nutzung von Quantencomputern. Der Chip demonstriert Googles Fähigkeit, technologische Barrieren zu überwinden, und legt den Grundstein für zukünftige Entwicklungen in der Quanteninformatik — und macht in der Zwischenzeit von sich reden.

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