Forscher zeigen, dass exotische Teilchen jede für universelles Quantencomputing nötige Operation ausführen können

Ein Team von Physikern der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago, Harvard, Stony Brook und des Quantencomputing-Unternehmens Quantinuum zeigte, dass exotische Quasiteilchen namens nicht-abelsche Anyonen die volle Bandbreite an Operationen ausführen können, die für universelles Quantencomputing erforderlich sind. Die diesen Monat in Nature (Bd. 655, Ausgabe 8123) veröffentlichte Arbeit nutzte 54 verschränkte Qubits auf Quantinuums H2-Ionenfallenprozessor.

Das Ergebnis ist wichtig, weil es eines der zentralen Hindernisse beim Bau eines wirklich nützlichen Quantencomputers angeht: die Fehlerkorrektur. Quantenbits sind notorisch fragil, und die führende Methode zum Schutz von Quanteninformationen vor Rauschen, bekannt als Magic-State-Distillation, ist extrem ressourcenintensiv.

Nicht-abelsche Anyonen existieren nicht als fundamentale Teilchen in der Natur wie Elektronen oder Photonen — sie sind emergente Quasiteilchen, die aus dem kollektiven Verhalten vieler verschränkter Qubits unter bestimmten Bedingungen entstehen. Was das Team zum ersten Mal zeigte, ist, dass die Kombination von Verflechtung (Braiding) mit einer zweiten Operation namens Fusion einen vollständigen “universellen Gattersatz” freischaltet.

“Wir haben einen sogenannten universellen Gattersatz demonstriert — das bedeutet, wenn man Informationen in diesen emergenten Versionen von Quarks speichert und sie bewegt, kann man jede gewünschte Quantenberechnung durchführen,” sagte Ruben Verresen von der University of Chicago. Henrik Dreyer von Quantinuum beschrieb den breiteren Ansatz deutlicher: “Nicht-abelsche Codes sind ein Außenseiter im Rennen um die Quantenfehlerkorrektur.”

Die praktische Bedeutung betrifft eher Effizienz als völlig neue Fähigkeiten. Wenn die auf nicht-abelschen Anyonen basierende Kodierung skaliert werden kann, könnte sie den für Fehlertoleranz nötigen physischen Qubit-Overhead reduzieren.