Amazon Web Services (AWS) hat seinen Quanten-Chip der ersten Generation vorgestellt. Der Chip namens Ocelot verfügt zwar nur über rudimentäre Rechenkapazitäten, ist aber nach Angaben des Unternehmens ein Proof-of-Concept. Diese Demonstration stelle einen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung einer größeren Maschine dar, mit der wiederum Anwendungen, wie schnelle und genaue Simulationen neuer Batteriematerialien, möglich sein sollen.

„Dies ist ein erster Prototyp, der zeigt, dass diese Architektur skalierbar und Hardware-effizient ist“, sagt Oskar Painter, Leiter der Quanten-Hardware bei AWS, Amazons Cloud-Computing-Einheit. Von AWS heißt es, dass der gewählte Ansatz insbesondere die Durchführung von Fehlerkorrekturen vereinfachen soll. Das ist eine zentrale technische Herausforderung bei der Entwicklung von Quantencomputern.

Ocelot besteht aus neun Quantenbits (Qubits) auf einem etwa einen Zentimeter großen Chip. Dieser muss, wie auch andere  Quantenhardware wie die von Google oder IBM, zum Betrieb auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Fünf der neun Qubits werden als „Cat-Qubits“ (Katzen-Qubits) bezeichnet – benannt nach Schrödingers Katze, dem berühmten Gedankenexperiment des 20. Jahrhunderts, bei dem eine Katze in einem Kasten sowohl als tot als auch als lebendig betrachtet werden kann.

Die Cat Qubits, die AWS hergestellt hat, sind winzige hohle Strukturen aus Tantal, die Mikrowellenstrahlung enthalten und an einem Siliziumchip befestigt sind. Die verbleibenden vier Qubits sind sogenannte Transmons – im Prinzip ein elektrischer Schwingkreis aus supraleitendem Material. Bei dieser Architektur verwendet AWS Cat-Qubits, um Informationen zu speichern. Die Transmon-Qubits dienen dazu, die Informationen in den Cat-Qubits zu überwachen. Dies unterscheidet die Technologie von den Quantencomputern von Google und IBM, deren Rechenteile allesamt aus Transmons bestehen.

Die AWS-Forscher nutzten Ocelot vor allem, um eine effizientere Form der Quantenfehlerkorrektur zu implementieren. Wie jeder Computer machen auch Quantencomputer Fehler. Ohne Korrektur summieren sich diese Fehler, sodass aktuelle Maschinen die langen Algorithmen nicht präzise ausführen können, die für Anwendungen erforderlich sind. „Die einzige Möglichkeit, einen brauchbaren Quantencomputer zu bekommen, ist die Implementierung einer Quantenfehlerkorrektur“, sagt Painter.

Leider sind die für die Quantenfehlerkorrektur erforderlichen Algorithmen in der Regel mit hohen Hardwareanforderungen verbunden. Letztes Jahr hat Google ein einziges fehlerbereinigtes Bit an Quanteninformationen mit 105 Qubits kodiert.

Amazons Designstrategie erfordert nur ein Zehntel so viele Qubits pro Informationsbit, sagt Painter, der auch einer der Autor:innen der dazugehörigen Studie ist, die in Nature veröffentlicht wurde. Darin kodierte das Team ein einziges fehlerkorrigiertes Informationsbit in den neun Qubits von Ocelot. Theoretisch sollte sich dieses Hardware-Design leichter auf eine größere Maschine skalieren lassen als ein Design, das nur aus Transmons besteht, sagt Painter.

Dieses Design, das Cat Qubits und Transmons kombiniert, macht die Fehlerkorrektur einfacher und reduziert die Anzahl der benötigten Qubits, sagt Shruti Puri, eine Physikerin an der Yale University, die nicht an der Arbeit beteiligt war. (Puri arbeitet in Teilzeit für ein anderes Unternehmen, das Quantencomputer entwickelt, sprach aber mit MIT Technology Review in ihrer Eigenschaft als Wissenschaftlerin).

„Im Grunde kann man alle Quantenfehler in zwei Arten zerlegen: Bitflips und Phasenflips“, sagt Puri. Quantencomputer stellen Informationen als 1en, 0en und Wahrscheinlichkeiten oder Überlagerungen von beidem dar. Ein Bitflip, der auch beim herkömmlichen Rechnen auftritt, liegt vor, wenn der Computer fälschlicherweise eine 1 kodiert, die eigentlich eine 0 sein sollte, oder umgekehrt. Beim Quantencomputer tritt der Bitflip auf, wenn der Computer die Wahrscheinlichkeit einer 0 als Wahrscheinlichkeit einer 1 kodiert oder umgekehrt. Ein Phasenwechsel ist ein Fehler, der nur beim Quantencomputing, also beim Rechnen, auftritt und mit den wellenartigen Eigenschaften des Qubits zusammenhängt.

Das Cat-Transmon-Design ermöglichte es Amazon, den Quantencomputer so zu konstruieren, dass etwaige Fehler vor allem Phasenumkehrfehler waren. Dies bedeutete, dass das Unternehmen einen viel einfacheren Fehlerkorrekturalgorithmus als Google verwenden konnte – einen, der nicht so viele Qubits benötigte. „Die Einsparungen bei der Hardware ergeben sich aus der Tatsache, dass man hauptsächlich eine Art von Fehler korrigieren muss“, sagt Puri. „Der andere Fehler tritt nur sehr selten auf.“

Die Einsparungen bei der Hardware sind auch auf die sorgfältige Implementierung einer als C-NOT-Gatter bekannten Operation durch AWS zurückzuführen, die während der Fehlerkorrektur durchgeführt wird. Die Forscher:innen von Amazon haben gezeigt, dass die C-NOT-Operation keine unverhältnismäßig großen Bitumkehrfehler verursacht. Dies bedeutete, dass der Quantencomputer nach jeder Runde der Fehlerkorrektur immer noch überwiegend Phasenumkehrfehler machte, so dass der einfache, hardwareeffiziente Fehlerkorrekturcode weiter verwendet werden konnte.

AWS begann bereits 2021 mit der Entwicklung von Ocelot, sagt Painter. Seine Entwicklung war ein „umfassendes Problem“. Um hochleistungsfähige Qubits zu schaffen, die letztendlich eine Fehlerkorrektur durchführen können, mussten die Forscher:innen einen neuen Weg finden, um Tantal, aus dem ihre Katzen-Qubits bestehen, auf einem Siliziumchip mit möglichst wenigen Defekten auf atomarer Ebene wachsen zu lassen.

Es ist ein bedeutender Fortschritt, dass AWS jetzt mehrere Cat Qubits in einem einzigen Gerät herstellen und kontrollieren kann, sagt Puri. „Jede Arbeit, die auf die Skalierung neuer Arten von Qubits abzielt, ist meiner Meinung nach interessant“, sagt sie. Dennoch wird die Entwicklung noch Jahre dauern. Andere Experten haben vorausgesagt, dass Quantencomputer Tausende, wenn nicht gar Millionen von Qubits benötigen werden, um eine nützliche Aufgabe zu erfüllen. Die Arbeit von Amazon „ist ein erster Schritt“, sagt Puri.

Sie fügt hinzu, dass die Forscher:innen den Anteil der Fehler aufgrund von dennoch auftretender Bitflips weiter reduzieren müssen, wenn sie die Anzahl der Qubits erhöhen.

Dennoch markiert diese Ankündigung Amazons Weg in die Zukunft. „Dies ist eine Architektur, an die wir glauben“, sagt Painter. Zuvor bestand die Hauptstrategie des Unternehmens darin, konventionelle Transmon-Qubits wie die von Google und IBM zu verfolgen. Das Cat-Qubit-Projekt wurde als „Skunkwork“ behandelt, sagt er. Jetzt haben sie beschlossen, den Katzen-Qubits Priorität einzuräumen. „Wir sind zu der Überzeugung gelangt, dass dies unsere Hauptentwicklungsarbeit sein muss, und wir werden immer noch einige Dinge erforschen, aber das ist die Richtung, die wir einschlagen.“ (Das in Frankreich ansässige Startup Alice & Bob baut ebenfalls einen Quantencomputer aus Cat Qubits).

So wie es ist, ist Ocelot im Grunde eine Demonstration des Quantenspeichers, sagt Painter. Der nächste Schritt besteht darin, dem Chip weitere Qubits hinzuzufügen, mehr Informationen zu kodieren und tatsächliche Berechnungen durchzuführen. Aber es liegen noch viele Herausforderungen vor ihnen, von der Anbringung aller Drähte bis zur Verbindung mehrerer Chips miteinander. „Die Skalierung ist nicht trivial“, sagt er.