Der H2-Quantencomputer von Quantinuum Ein Schritt in Richtung uni­verselles, fehler­tolerantes Quanten­computing

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Der „H2“-Quantencomputer von Quantinuum erzeugt erstmals nicht-abelsche topologische Quantenmaterie und kontrolliert ihre Anyonen. Die kontrollierte Erzeugung und Manipulation von nicht-abelschen Anyonen, die zu topologischen Qubits führen, sind laut Unternehmensangaben „ein bedeutender Schritt in Richtung universelles, fehlertolerantes Quantencomputing“.

Diese Entwicklung wird ermöglicht durch Quantinuums neues System-Modell H2, „der leistungsstärkste Quantencomputer, der bisher gebaut wurde“. Die offizielle Markteinführung des H2-Quantenprozessors von Quantinuum, Powered by Honeywell, folgt auf umfangreiche Vorarbeiten mit einer Vielzahl von globalen Partnern und war für die kontrollierte Erzeugung und Manipulation von nicht-abelschen Anyonen unerlässlich.

Die präzise Kontrolle von nicht-abelschen Anyonen gilt seit langem als vielversprechender Weg zur Nutzung topologischer Qubits für einen fehlertoleranten Quantencomputer. Tony Uttley, Präsident und COO von Quantinuum, erläutert: „Mit unserem System der zweiten Generation treten wir in eine neue Phase des Quantencomputing ein. Mit H2 lassen sich wertvolle Ergebnisse erzielen, die nur mit einem Quantencomputer möglich sind."

Und er fügt hinzu: „Diese Demonstration ist ein schöner Beweis für die Leistungsfähigkeit unserer Hardware-Roadmap für die H-Serie. Sie unterstreicht außerdem unser primäres Ziel, unseren Kunden die Lösung von Problemen zu ermöglichen, die bisher außerhalb der Reichweite klassischer Computer lagen. Die Auswirkungen auf die Gesellschaft sind signifikant und wir sind gespannt, wie diese Technologie die Welt verändern wird.“

Das Experiment in Harvard

Eines der ersten Experimente, das von Wissenschaftlern von Quantinuum in Zusammenarbeit mit Forschern der Harvard University und des Caltech an H2 durchgeführt wurde, hat einen neuen Zustand der Materie nachgewiesen, genauer gesagt: einen nicht-Abelschen topologisch geordneten Zustand. Dies ist ein Fachgebiet, das Quantinuum seit einigen Jahren im 'Stealth-Modus' verfolgt. Das Kernteam hat seinen Sitz in München und wird von Henrik Dreyer geleitet.

Dank der differenzierenden Eigenschaften und der präzisen Steuerung des H2-Prozessors konnte der topologische Zustand - im Prinzip ein Qubit mit begrenzter Gate-Kapazität - so erzeugt werden, dass seine Eigenschaften in Echtzeit präzise kontrolliert werden konnten, wobei die Erzeugung, Verknüpfung und Vernichtung (Messung) von nicht-abelschen Anyonen demonstriert wurde.

Die Ergebnisse, die in der vergangenen Woche in dem Vorabdruck eines ausführlichen wissenschaftlichen Papiers auf „arXiv“ veröffentlicht wurden, beschreiben die Arbeit von Quantinuum im Detail. Diese Arbeit eröffnet faszinierende neue Forschungsfelder in der Physik der kondensierten Materie, die mit einem klassischen Computer allein unmöglich gewesen wären. Zusammen mit anderen von Quantinuum demonstrierten QEC-Codes zeigt diese Leistung, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis die Quantinuum-Hardware den optimalen Weg zur Fehlertoleranz bietet.

Die Fehlertolereanz

Ilyas Khan, Gründer und Chief Product Officer bei Quantinuum, sagt, wo das Ziel der Quantencomputerentwicklung liegt: „Fehlertolerantes Quantencomputing ist unser oberstes Ziel. Unsere weltweite Führungsposition im Quantencomputing wird weiterhin durch reale Fortschritte demonstriert und bewiesen.“

Er spricht von einem „Transistor-Moment“, um die Bedeutung hervorzuheben: „Dies ist ein Transistor-Moment für die Quantencomputer-Industrie - und die Tatsache, dass wir einen Quantencomputer als Werkzeug für den Bau von topologischen Qubits verwendet haben, die einen bedeutenden Schritt in Richtung fehlertolerantes Quantencomputing darstellen, ist ein weiterer Beweis für unsere lang gehegte Überzeugung, dass Quantensysteme am besten durch andere Quantensysteme erforscht und geschaffen werden. Dies ist genau das, was Feynman in seinen berühmten Bemerkungen vorwegnahm, die so oft als Grundlage für das Quantencomputing zitiert werden."

Zu den ersten Merkmalen des H2 gehören 32 vollständig verbundene, High-Fidelity Qubits und eine völlig neue Architektur, die das lineare Design des Systemmodells „H1“ weiterentwickelt (mit einer neuen Ionenfalle, deren ovale Form an eine Rennbahn erinnert). Quantinuum demonstrierte die Leistungsfähigkeit des H2 unter anderem durch die Erzeugung eines 32-Qubit-GHZ-Quantenzustands. Dies ist ein nicht-klassischer Zustand, bei dem alle 32 Qubits global verschränkt sind. Damit hält Quantinuum H2 den Weltrekord für den größten GHZ-Zustand.

Das einzigartige 'Racetrack'-Design des Systemmodells H2 ermöglicht eine 'all-to-all'-Konnektivität zwischen Qubits. Das bedeutet: Jedes Qubit im H2 kann direkt mit jedem anderen Qubit im System paarweise verschränkt werden.

Kurzfristig werden dadurch die Gesamtfehler in den Algorithmen reduziert, und langfristig eröffnen sich zusätzliche Möglichkeiten für neue, effizientere Fehlerkorrekturcodes - beides entscheidend für die weitere Beschleunigung der Fähigkeiten des Quantencomputers. In Verbindung mit der Demonstration kontrollierter nicht-Abelscher Anyonen stellt die integrierte Leistung einen wichtigen Schritt in der topologischen Quanteninformationsspeicherung und -verarbeitung dar.

Das Skalieren

Darüber hinaus ist das neue Design ein wichtiger Schritt, um das Skalierungspotenzial von Ionenfallen-Bauelementen aufzuzeigen. H2 ist nicht nur eine Demonstration der Skalierbarkeit von Ionenfallen in der QCCD-Architektur (Quantum Charge Coupled Device): Es zeigt nicht nur die Fähigkeit, die Anzahl der Qubits bei gleichbleibender Leistung zu erhöhen, sondern enthält auch neue Technologien, die den Weg für eine weitere Skalierung in nachfolgenden Generationen ebnen.

Ähnlich wie die Systeme der ersten Generation ist H2 so konzipiert, dass zukünftige Upgrades im Laufe seines Produktlebenszyklus möglich sind. Das bedeutet, dass sowohl die Anzahl der Qubits als auch die Qualität der Qubits verbessert werden.

So wird erwartet, dass die Leistungssteigerungen des Systemmodells H1, mit denen wiederholt steigende Quantenvolumen (QV)-Rekorde erzielt wurden, mit H2 fortgesetzt werden. H2 startet mit einem Quantenvolumen von 65.536 und übertrifft damit den letzten Rekord, der mit H1-1 im Februar dieses Jahres aufgestellt wurde.

Der Einsatz des H2 heute

Abgesehen von diesem bahnbrechenden Ergebnis wurde das H2 bereits von einer Reihe von Organisationen und Unternehmen in experimentellen Projekten eingesetzt:

• Das Global Technology Applied Research Center von JPMorgan Chase hat eine Arbeit über den Entwurf eines Quantenoptimierungsalgorithmus für die Portfolio-Optimierung veröffentlicht, mit numerischen Ergebnissen, die während des frühen Zugangs erfolgreich auf H2 validiert wurden.

• Das Team für maschinelles Lernen von Quantinuum demonstrierte eine neue heuristische Optimierungsroutine, die Optimierungsprobleme mit minimalen Quantenressourcen lösen kann.

H2 ist ab sofort über den Cloud-basierten Zugang von Quantinuum verfügbar und wird ab Juni über „Microsoft Azure Quantum“ bereitgestellt. Zusätzlich wird ein Emulator des H2 durch „Nvidia cuQuantum SDK“ mit optimierten Bibliotheken und Tools ermöglicht, die zur Beschleunigung von Quantencomputer-Simulationsabläufen beitragen.

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