Google: Magic State Cultivation senkt Fehler auf dem Willow-Chip um etwa das 40-Fache
Laut Google Quantum AI entschärft das Verfahren einen seit Langem bekannten Ressourcenengpass, muss sich aber noch in größerem Maßstab bewähren.
KI-IllustrationGoogle Quantum AI teilte am 15. Oktober mit, dass es ein Verfahren namens Magic State Cultivation auf seinem Willow-Prozessor erfolgreich gezeigt hat, das die Fehler im Vergleich zum Betrieb ohne das Verfahren um etwa das 40-Fache senkt. Das Unternehmen erklärte, die Arbeit sei inzwischen veröffentlicht worden.
Magic States sind besondere Quantenzustände, die einer Maschine helfen, die Operationen auszuführen, die für universelles Quantencomputing nötig sind, also für Rechner, die nützliche Programme jenseits der Möglichkeiten klassischer Computer ausführen können. Forscher sehen ihre Herstellung seit 2004 als schwierigen Engpass. Laut Google erfordert die Erzeugung hochwertiger, fehlerkorrigierter Magic States so viele Ressourcen, dass Schätzungen zufolge bis zu 95 % der Kapazität eines Quantencomputers dafür aufgewendet werden müssten. Zudem kann jeder Magic State nur einmal verwendet werden.
Die Cultivation-Methode wurde 2024 von Forschern bei Google Quantum AI entwickelt, die eine Idee aus früherer Fachliteratur weiterentwickelten. Sie soll wie ein Filter wirken: Ein verrauschter Zustand wird in einem kleinen Bereich des Chips platziert, und eine Folge koordinierter Messungen prüft auf Fehler und verwirft gescheiterte Versuche. Ziel ist es, einen sehr reinen, fehlerarmen Zustand zu züchten, der sich zugleich in eine größere Kodierung überführen lässt. Google erklärte, der Ansatz könne die für praktische Aufgaben nötige Größe eines Quantencomputers erheblich verringern, falls er auf realer Hardware funktioniere.
Auf Willow erzielte das Protokoll eine 40-fache Fehlerreduktion gegenüber nicht kultivierten Zuständen und erzeugte T-Zustände mit einer, wie das Unternehmen sagte, rekordverdächtigen logischen Fidelity von 99,99 %. Google bezeichnete das Ergebnis als erste Demonstration einer praktikablen Lösung für einen der gravierendsten Ressourcenengpässe des Fachgebiets.
Dafür war weitere Ingenieursarbeit nötig. In frühen Tests stellte das Team fest, dass Laborrauschen durch Drift elektrischer Geräte und Temperaturschwankungen den üblichen Benchmark beeinträchtigte. Es ergänzte zusätzliche Kontrolle, um dieses Rauschen zu verringern, und entwickelte eine neue Benchmarking-Methode, die Cultivation nutzt, um sich selbst zu messen.
Die Forscher überführten Zustände außerdem von einem Color Code mit Distanz 3 in einen Surface Code mit Distanz 5, zwei Formen der Quantenfehlerkorrektur, und zeigten damit, dass gereinigte Zustände innerhalb der Hardware bestehen und übertragen werden können.
Google erklärte, Magic State Cultivation müsse sich noch in größerem Maßstab bewähren, bevor es für praktisches Quantencomputing realistisch sei, und es blieben viele technische Herausforderungen.