Amazon Web Services hat seinen ersten Quantencomputer-Chip entwickelt, der den Namen Ocelot trägt. Dieser innovative Chip zeigt einen effizienteren Ansatz zur Quanten-Fehlerkorrektur – eine der grundlegenden Herausforderungen beim Bau praktischer Quantencomputer.
Die Architektur hinter Ocelot
Das Design von Ocelot umfasst neun Qubits auf einem Siliziumchip mit einer Fläche von einem Quadratzentimeter. Was diese Architektur einzigartig macht, ist ihr hybrider Ansatz: Fünf dieser Qubits sind „Katzen-Qubits“ (benannt nach Schrödingers Gedankenexperiment), während die verbleibenden vier Transmon-Qubits sind.
In dieser Anordnung speichern die Katzen-Qubits die Informationen, während die Transmon-Qubits sie überwachen. Dies unterscheidet sich deutlich von den ausschließlich auf Transmon-Qubits basierenden Designs, die von anderen führenden Akteuren im Bereich Quantencomputing verwendet werden.
Die Katzen-Qubits bestehen aus hohlen Tantalstrukturen, die Mikrowellenstrahlung enthalten und in einen Siliziumchip integriert sind. Wie alle Quantencomputer-Hardware muss Ocelot bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt betrieben werden.
Das Problem der Fehlerkorrektur lösen
Quantencomputer sind von Natur aus fehleranfällig, und die Entwicklung effektiver Fehlerkorrektur ist entscheidend für praktische Anwendungen. Herkömmliche Ansätze zur Quanten-Fehlerkorrektur erfordern erhebliche Hardware-Ressourcen – Google benötigte kürzlich 105 Qubits, um ein einziges fehlerkorrigiertes Bit quantenmechanischer Information zu kodieren.
Die zentrale Innovation von Ocelot liegt in seinem effizienteren Fehlerkorrektur-Design. Laut Oskar Painter, dem Leiter der Quantenhardware bei AWS, benötigt ihr Ansatz nur etwa ein Zehntel der Qubits pro Informationsbit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
In einer in *Nature* veröffentlichten Studie demonstrierten AWS-Forschende diese Effizienz, indem sie ein einziges fehlerkorrigiertes Informationsbit mit lediglich neun Qubits von Ocelot kodierten.
Wie es funktioniert
Fehler in Quantencomputern lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Bit-Flip-Fehler (ähnlich denen in der klassischen Datenverarbeitung) und Phasen-Flip-Fehler (einzigartig für Quantensysteme).
Laut Shruti Puri, Physikerin an der Yale-Universität, die nicht an der Arbeit beteiligt war, ermöglicht das Hybriddesign aus Katzen- und Transmon-Qubits den Ingenieuren, ein System zu schaffen, in dem hauptsächlich Phasen-Flip-Fehler auftreten. Dies erlaubt den Einsatz einfacherer Fehlerkorrekturalgorithmen, die weniger Qubits benötigen.
Die Implementierung der C-NOT-Gatteroperation durch AWS (entscheidend für die Fehlerkorrektur) ist besonders bemerkenswert. Ihr Design stellt sicher, dass diese Operation nicht übermäßig viele Bit-Flip-Fehler verursacht, wodurch der vereinfachte Fehlerkorrekturansatz auch über mehrere Zyklen hinweg wirksam bleibt.
Entwicklungsherausforderungen und zukünftige Ausrichtung
AWS begann die Arbeit an Ocelot etwa im Jahr 2021 und sah sich dabei mit erheblichen technischen Herausforderungen konfrontiert. Eine der größten Hürden bestand darin, neue Verfahren zu entwickeln, um Tantal mit minimalen atomaren Defekten auf Siliziumchips aufzubringen.
Derzeit dient Ocelot in erster Linie als Quanten-Speicher und nicht als vollständiges Rechensystem. Die nächsten Entwicklungsschritte beinhalten das Hinzufügen weiterer Qubits, das Kodieren zusätzlicher Informationen und das Durchführen echter Quantenberechnungen.
Die Skalierung bleibt eine erhebliche Herausforderung, von der Verbindung der erforderlichen Verkabelung bis hin zum Verbinden mehrerer Chips. Branchenexperten sagen voraus, dass praktische Quantencomputer letztlich Tausende oder Millionen von Qubits benötigen werden.
Dieses Projekt stellt eine strategische Wendung für AWS dar. Während sie zuvor auf herkömmliche Transmon-Qubits setzten, die denen der Wettbewerber ähneln, haben sie nun den Ansatz der Katzen-Qubits als ihre Haupttechnik für die zukünftige Ingenieursarbeit priorisiert.
Das französische Start-up Alice & Bob entwickelt ebenfalls Quantencomputing-Technologie, die auf Katzen-Qubits basiert.
