Google behauptet, einen der größten Engpässe der Quanteninformatik überwunden zu haben

Google sagt, es habe einen der vielversprechendsten theoretischen Tricks des Quantencomputings in etwas verwandelt, das tatsächlich auf einem Chip funktioniert.

In einem am Donnerstag in Science veröffentlichten Artikel zeigte das Quantum-AI-Team des Unternehmens, dass eine als Magic-State-Kultivierung bezeichnete Technik die Fehler auf seinem Willow-Prozessor um etwa das 40-Fache reduzierte.

Quantencomputer kostengünstiger zu bauen, ist weit über Physiklabore hinaus von Bedeutung, denn es bringt den Tag näher, an dem sie nützliche Arbeit leisten, wie die Entwicklung von Medikamenten und neuen Materialien, und auch den Tag, an dem jemand die Verschlüsselung knacken könnte, die Bank-Logins und Bitcoin-Wallets schützt.

Quantencomputer arbeiten mit Qubits – Quantenbits, die gleichzeitig eine Mischung aus 0 und 1 halten können, wodurch sie viele Antworten parallel erkunden können. Sie sind auch absurd fragil: Ein wenig Wärme oder elektrisches Rauschen kann ein Qubit umkippen und eine Berechnung zunichtemachen, weshalb die gesamte Branche von Fehlerkorrektur besessen ist (eine Information auf viele Qubits verteilen, damit Fehler erkannt und behoben werden können).

Die Fehlerkorrektur bewältigt die einfachen Operationen gut, aber ein wirklich nützliches Programm benötigt auch eine Klasse schwierigerer Operationen, die nicht auf die gleiche Weise geschützt werden können. Um sie auszuführen, muss die Maschine zunächst Magic States herstellen, die wie Einweg-Brennstoffzellen für diese Operationen wirken: Jede wird in dem Moment verbraucht, in dem sie verwendet wird.

Die Herstellung sauberer Magic States war schon immer brutal teuer. Einigen Schätzungen zufolge macht der Aufwand bis zu 95 % der gesamten Kapazität eines Quantencomputers aus, laut Google, was sehr wenig Raum für die eigentliche Berechnung lässt.

Die Physiker Sergei Bravyi und Alexei Kitaev legten 2004 mit Magic-State-Destillation die Standardlösung dar, bei der viele verrauschte Magic States genommen und zu wenigen sauberen eingekocht werden. Es funktioniert, erfordert aber ausgedehnte Qubit-„Fabriken“, die nichts anderes tun.

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Im Jahr 2024 schlugen Google-Forscher einen kostengünstigeren Weg vor, den sie Magic-State-Kultivierung nannten. Anstatt einer Fabrik wirkt diese Technik wie ein Filter: Sie injiziert einen groben Magic State in einen winzigen Chipbereich, führt dann eine Kette von Prüfungen daran durch, verwirft jeden Versuch mit einem erkannten Fehler und lässt die Überlebenden weiter wachsen. In ihrer Arbeit gingen sie sogar so weit zu suggerieren, dass weitere Destillation "in der Praxis möglicherweise nie nötig sein wird."

„Auf dem Willow-Prozessor von Google Quantum AI erzielte unser Protokoll eine außergewöhnliche 40-fache Reduzierung der Fehler im Vergleich zu unkultivierten Zuständen. Und wir erhielten T-Zustände mit einer rekordverdächtigen logischen Wiedergabetreue von 99,99 %“, sagte Google.

Nur etwa 8 % der Versuche bestanden jede Prüfung, was bedeutet, dass der Chip mehr als neun von zehn Versuchen verwirft, um einen sauberen Zustand zu erhalten.

Kultivierung ist einer der Tricks hinter Gidneys Schätzung von 2025, dass die RSA-2048-Verschlüsselung mit weniger als einer Million verrauschter Qubits gebrochen werden könnte, ein 20-facher Rückgang gegenüber den 20 Millionen, die er 2019 schätzte. Bis zu diesem Experiment war die Kultivierung nur in der Theorie und in Computersimulationen getestet worden.

Google zog im März die Schrauben weiter an, als ein Quantum-AI-Whitepaper, das gemeinsam mit dem Forscher der Ethereum Foundation, Justin Drake, und dem Stanford-Kryptographen Dan Boneh verfasst wurde, die Kosten für das Brechen der Elliptische-Kurven-Kryptographie von Bitcoin (die Mathematik, die jeden daran hindert, Ihren privaten Schlüssel aus Ihrer öffentlichen Adresse abzuleiten) auf weniger als 500.000 physische Qubits bezifferte. Das folgt auf das Quantum-Echoes-Experiment des Unternehmens im letzten Oktober, die erste verifizierte Quantenbeschleunigung auf realer Hardware.

Niemand leert damit Wallets. Das Experiment nutzte höchstens 54 von Willows 105 Qubits, und das Paper merkt an, dass die Faktorisierung eines RSA-2048-Schlüssels Magic States mit Fehlern von etwa einem zu 10 Milliarden erfordern würde, ungefähr eine Million Mal sauberer als das, was Google gerade erreicht hat.

Google sagt, der nächste Schritt sei, die Kultivierung in größerem Maßstab durchzuführen. Das Team prognostiziert, dass eine Halbierung des zugrunde liegenden Hardware-Rauschens von Willow die Magic-State-Fehler auf etwa zwei zu 100.000 senken würde, weil die Fehler im Prozess mit der dritten Potenz des Rauschpegels des Chips schrumpfen.