Im Jahr 2019 gab Google bekannt, dass seine 53-Qubit-Maschine die Quantenüberlegenheit erreicht hatte – eine Aufgabe, die von einem herkömmlichen Computer nicht bewältigt werden konnte –, aber IBM bestritt die Behauptung. Im selben Jahr brachte IBM seinen 53-Bit-Quantencomputer auf den Markt. Im Jahr 2020 stellte IonQ ein 32-Qubit-System vor, von dem das Unternehmen sagte, es sei der „leistungsstärkste Quantencomputer der Welt“. Und erst diese Woche hat IBM seinen neuen 127-Qubit-Quantenprozessor auf den Markt gebracht, der in der Pressemitteilung als „kleines Designwunder“ bezeichnet wird. „Die große Neuigkeit aus meiner Sicht ist, dass es funktioniert“, sagt Jay Gambetta, IBMs Vizepräsident für Quantencomputer.
Jetzt behauptet QuEra, ein Gerät mit weit mehr Qubits als jeder dieser Konkurrenten hergestellt zu haben.
Das ultimative Ziel des Quantencomputings ist natürlich nicht, Tetris zu spielen, sondern klassische Computer bei der Lösung praktischer Probleme zu übertreffen. Enthusiasten gehen davon aus, dass, wenn diese Computer vielleicht in ein oder zwei Jahrzehnten leistungsfähig genug sind, sie in Bereichen wie Medizin und Finanzen, Neurowissenschaften und KI transformative Auswirkungen haben könnten. Quantenmaschinen werden wahrscheinlich Tausende von Qubits benötigen, um solche komplexen Probleme zu bewältigen.
Die Anzahl der Qubits ist jedoch nicht der einzige Faktor, der zählt.
QuEra wirbt auch für die verbesserte Programmierbarkeit seines Geräts, bei dem jedes Qubit ein einzelnes, ultrakaltes Atom ist. Diese Atome werden mit einer Reihe von Lasern (Physiker nennen sie optische Pinzetten) präzise angeordnet. Durch die Positionierung der Qubits kann die Maschine während des Berechnungsprozesses in Echtzeit programmiert, auf das zu untersuchende Problem abgestimmt und sogar umkonfiguriert werden.
„Verschiedene Probleme erfordern, dass die Atome in unterschiedlichen Konfigurationen platziert werden“, sagt Alex Keesling, CEO von QuEra und Miterfinder der Technologie. „Einzigartig an unserer Maschine ist, dass wir jedes Mal, wenn wir sie ein paar Mal pro Sekunde laufen lassen, die Geometrie und die Konnektivität der Qubits komplett neu definieren können.“
Der Atomvorteil
Die Maschine von QuEra wurde nach einem Entwurf und über mehrere Jahre verfeinerten Technologien gebaut, geleitet von Mikhail Lukin und Markus Greiner von Harvard und Vladan Vuletić und Dirk Englund vom MIT (alle sind im Gründungsteam von QuEra). Im Jahr 2017 verwendete ein früheres Modell des Geräts der Harvard-Gruppe nur 51 Qubits; 2020 demonstrierten sie die 256-Qubit-Maschine. Innerhalb von zwei Jahren erwartet das QuEra-Team, 1.000 Qubits zu erreichen, und hofft dann, ohne die Plattform viel zu ändern, das System weiter auf über Hunderttausende von Qubits zu skalieren.
AHMED OMRAN/QUERA
Es ist die einzigartige Plattform von QuEra – die physische Art und Weise, wie das System zusammengebaut wird und die Methode, mit der Informationen kodiert und verarbeitet werden –, die solche Skalensprünge ermöglichen sollte.
Während die Quantencomputersysteme von Google und IBM supraleitende Qubits verwenden und IonQ gefangene Ionen verwendet, verwendet die Plattform von QuEra Arrays neutraler Atome, die Qubits mit beeindruckender Kohärenz (dh einem hohen Grad an „Quantität“) erzeugen. Die Maschine verwendet Laserpulse, um die Atome in Wechselwirkung zu bringen und sie in einen Energiezustand – einen „Rydberg-Zustand“, der 1888 vom schwedischen Physiker Johannes Rydberg beschrieben wurde – anzuregen, in dem sie Quantenlogik auf robuste Weise mit hoher Genauigkeit ausführen können. An diesem Rydberg-Ansatz für das Quantencomputing wird seit einigen Jahrzehnten gearbeitet, aber technologische Fortschritte – beispielsweise bei Lasern und Photonik – waren erforderlich, damit er zuverlässig funktioniert.
„Unvernünftig überschwänglich“
Als der Informatiker Umesh Vazirani, Direktor des Berkeley Quantum Computation Center, zum ersten Mal von Lukins Forschung in dieser Richtung erfuhr, fühlte er sich „irrational überschwänglich“ – es schien ein wunderbarer Ansatz zu sein, obwohl Vazirani in Frage stellte, ob seine Intuitionen mit der Realität in Einklang stehen. „Wir hatten verschiedene gut ausgebaute Wege, wie Supraleiter und Ionenfallen, an denen schon lange gearbeitet wurde“, sagt er. „Sollten wir nicht über andere Pläne nachdenken?“ Er meldete sich bei John Preskill, einem Physiker am California Institute of Technology und Direktor des Institute for Quantum Information and Matter, der Vazirani versicherte, dass sein Überschwang gerechtfertigt sei.
Preskill findet Rydberg-Plattformen (nicht nur QuEras) interessant, weil sie stark wechselwirkende Qubits produzieren, die stark verschränkt sind – „und genau hier liegt die Quantenmagie“, sagt er. „Ich bin ziemlich gespannt auf das Potenzial, in relativ kurzer Zeit unerwartete Dinge zu entdecken.“
Neben der Simulation und dem Verständnis von Quantenmaterialien und -dynamiken arbeitet QuEra an Quantenalgorithmen zur Lösung computergestützter Optimierungsprobleme, die NP-vollständig (d. h. sehr schwierig) sind. „Dies sind wirklich die ersten Beispiele für nützliche Quantenvorteile bei wissenschaftlichen Anwendungen“, sagt Lukin.