Neueste Durchbrüche im Quantencomputing 2024: Was sich tatsächlich geändert hat und warum es wichtig ist
Es gibt eine Version der Quantencomputing-Geschichte, die sich jedes Jahr in einer Schleife abspielt: eine atemlose Pressemitteilung, eine so große Zahl, dass sie das Verständnis bricht, und dann Stille. 2024 fühlte sich für Forscher, die dieses Gebiet tatsächlich genau verfolgen, anders an. Nicht wegen einer einzigen Ankündigung, sondern wegen dreier verschiedener bahnbrechender Momente, die sich innerhalb weniger Monate nacheinander ereigneten – jeder von einem anderen Unternehmen, das einen grundlegend anderen Ansatz für dasselbe Problem verfolgte. Wenn dies gleichzeitig über Hardware-Architekturen hinweg geschieht, ist das normalerweise ein Zeichen dafür, dass sich das Feld bewegt und nicht dreht.
Hier erfahren Sie, was sich im Jahr 2024 tatsächlich geändert hat, warum jede Entwicklung wichtig ist und welche ehrlichen Vorbehalte es gibt.
Google Willow: Der Chip, der die Fehlerkorrektur-Konversation verändert hat
Die größte Neuigkeit des Jahres kam am 9. Dezember 2024. Das Quanten-KI-Team von Google stellte Willow vor – einen supraleitenden 105-Qubit-Prozessor, der in seiner speziellen Fertigungsanlage an der UC Santa Barbara gebaut wurde – und demonstrierte, dass es sich nicht nur um einen schnelleren Chip handelte. Es war ein Beweis für etwas, das das Fachgebiet seit fast drei Jahrzehnten zu etablieren versuchte.
Die wichtigste Errungenschaft: Als Google Willow weitere Qubits hinzufügte, sank die Fehlerrate statt zu steigen. Das klingt einfach. Das ist es nicht. Der zentrale Nachteil des Quantencomputings bestand jahrelang darin, dass mehr Qubits mehr Rauschen, mehr Instabilität und mehr Fehler bei den Berechnungen bedeuteten. Man könnte ein größeres System bauen, aber es wäre weniger zuverlässig. Willow hat diese Beziehung gebrochen. Mithilfe seiner Fehlerkorrekturarchitektur demonstrierte der Chip den sogenannten „Unterschwellenwert“-Betrieb – den Punkt, an dem die Skalierung tatsächlich hilft und nicht schadet.
Der Benchmark, den Google parallel zu dieser Ankündigung durchführte, erlangte sofort Berühmtheit: Willow führte in weniger als fünf Minuten eine Zufallsstichprobenberechnung durch, für die der schnellste klassische Supercomputer von heute 10 Septillionen Jahre benötigen würde – das sind 10²⁵ Jahre, etwa eine Million Mal so alt wie das aktuelle Alter des Universums. Wie Hartmut Neven, der 2012 Google Quantum AI gründete, es ausdrückte: „Wir haben die Gewinnschwelle überschritten.“ Die vollständigen technischen Details wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, was wichtig ist: Frühere Behauptungen über die Quantenüberlegenheit haben berechtigte Kritik hervorgerufen, und die Verfügbarkeit der Methodik für die Prüfung ist ein bedeutender Unterschied.
Die offizielle Ankündigung und die technische Dokumentation sind direkt im Quantum AI-Blog von Google verfügbar.
Der ehrliche Vorbehalt: Willows Benchmark-Test fällt immer noch knapp aus. Zufallsstichproben aus Schaltkreisen beweisen, dass bestimmte Berechnungen für diesen Chip klassischerweise nicht durchführbar sind – das bedeutet jedoch nicht, dass Willow derzeit die Anwendungen zur Arzneimittelforschung oder Klimamodellierung ausführen kann, die immer dann erwähnt werden, wenn es um Quantencomputing geht. Der Wert von Willow ist architektonischer Natur: Es zeigt, dass fehlerkorrigiertes Quantencomputing im großen Maßstab keine theoretische Obergrenze mehr darstellt. Es handelt sich um einen nachgewiesenen technischen Weg.
Microsoft und Quantinuum: Der logische Qubit-Meilenstein
Acht Monate vor der Willow-Ankündigung veröffentlichten Microsoft und Quantinuum im April 2024 ein Ergebnis, das weniger allgemeine Presse, aber wohl mehr Aufmerksamkeit von Forschern erregte. Sie demonstrierten logische Qubits mit Fehlerraten, die 800-mal niedriger waren als die entsprechenden physischen Qubits, aus denen sie aufgebaut waren – und zwar unter Verwendung dessen, was Microsoft „Qubit-Virtualisierung“ nannte.
Die Unterscheidung zwischen physikalischen und logischen Qubits ist die eigentliche Trennlinie im Quantencomputing. Physikalische Qubits sind die Hardwareeinheiten – sie sind laut, empfindlich gegenüber Temperatur, Vibration, elektromagnetischen Störungen und der Zeit selbst. Logische Qubits entstehen durch die Kombination mehrerer physikalischer Qubits zu einer Struktur, die Informationen redundant kodiert, sodass Fehler erkannt und korrigiert werden können, ohne die Berechnung zu zerstören. Die Herausforderung bestand schon immer darin, dass für den Aufbau logischer Qubits so viele physische Qubits erforderlich sind, dass der Overhead das Ganze unpraktisch machte. Eine 800-fache Reduzierung der Fehlerrate bedeutet, dass logische Qubits zunehmend realistischer als theoretisch aussehen.
Microsoft hat dies im November 2024 weiter ausgeweitet. In Zusammenarbeit mit Atom Computing gelang es ihnen, 24 logische Qubits mit ultrakalten neutralen Ytterbiumatomen zu erstellen und zu verschränken – und stellten damit einen neuen Rekord auf, und das mit bemerkenswerter Gattergenauigkeit: 99,963 % für Einzel-Qubit-Operationen und 99,56 % für Zwei-Qubit-Verschränkungstore. Der Ansatz mit neutralen Atomen verwendet lasergekühlte Atome, die von optischen Pinzetten an Ort und Stelle gehalten werden, eine völlig andere Hardware-Architektur als die supraleitenden Transmonen von Google. Das ist wichtig, weil es bedeutet, dass mehrere gangbare Wege zum fehlertoleranten Quantencomputing gleichzeitig vorangetrieben werden, anstatt alles auf einen Ansatz zu setzen.
Im Dezember 2024 ging Quantinuum dann noch einen Schritt weiter: die Verschränkung von 50 logischen Qubits – ein weiterer Rekord und ein Beweis dafür, dass die Ära der logischen Qubits kein zukünftiger Meilenstein, sondern eine aktive Gegenwart ist.
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