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Durchbruch für Quantinuum

Simulation chemischer Moleküle rückt näher

28. Juli 2023, 8:19 Uhr | Heinz Arnold

Dr. Raj Hazra, CEO von Quantinuum: »Die Ergebnisse unserer Experimente mit „Stochastic Quantum Phase Estimation“ bringt uns in die Ära der frühen Fehlertoleranz. Die Zeit bis zum nutzbaren Quantencomputer rückt immer näher.«

Als erster Quantencomputer-Hersteller hat Quantinuum einen teilweise fehlertoleranten Algorithmus auf Basis logischer Qubits angewandt, um das Wasserstoffmolekül (H2) zu simulieren.

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Damit ist es Quantinuum als erstem gelungen, ein chemisches Molekül mit Hilfe eines teilweise fehlertoleranten Algorithmus auf einem Quantenprozessor mit logischen Qubits zu simulieren.

Dies ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg, Quantencomputer für praxisrelevante Aufgaben zu nutzen, in diesem Fall um durch eine bessere Modellierung chemischer Systeme Substanzen schneller als bisher entwickeln zu können.

Die Wissenschaftler von Quantinuum verwendeten drei logische Qubits auf dem Quantencomputer »H1«, um die Grundzustandsenergie des Wasserstoffmoleküls (H2) mit einem Algorithmus für frühe fehlertolerante Geräte zu berechnen. Diese Methode wird als »Stochastic Quantum Phase Estimation« bezeichnet.

Viele der Algorithmen, die auf den heutigen Quantencomputern der »NISQ«-Ära verwendet werden, sind nicht dafür geeignet, umfangreiche Aufgaben zu lösen. Dagegen hat die Methode der Phasenschätzung mit logischen Qubits von Quantinuum ein höheres Skalierungspotenzial, ist aber auf den heutigen Quantencomputern schwierig zu implementieren, weil sie sehr komplexe Schaltungen erfordert, die aufgrund von Rauschen keine Ergebnisse liefern.

»Die Ergebnisse unserer Experimente mit „Stochastic Quantum Phase Estimation“ bringt uns in die Ära der frühen Fehlertoleranz«, sagt Dr. Raj Hazra, CEO von Quantinuum. Ermöglicht werde dies durch den »H1«-Quantencomputer, der High-Fidelity-Gate-Operationen, All-to-All-Konnektivität und bedingte Logik mit den weltweit führenden Algorithmen, Methoden und Fehlerkorrekturtechniken, die die »InQuanto«-Chemieplattform von Qantinuum bietet.

In seinem Paper »Demonstrating Bayesian Quantum Phase Estimation with Quantum Error Detection« berichtet das Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Dr. Kentaro Yamamoto, dass sie diese Herausforderung gemeistert haben, indem sie logische Qubits mit einem neu entwickelten Fehlererkennungscode für die Quantenhardware der »H«-Serie erstellt und verwendet haben. Der Code sparte Quantenressourcen, indem er eine Berechnung sofort verwarf, wenn er Qubits entdeckte, die während des Berechnungsvorgangs Fehler produzierten.

In Kombination mit dem geringen Rauschen der »H«-Hardware und dem Funktionsumfang der Quantinuum-Software »InQuanto« konnten die Forscher diese komplexen Schaltungen erstmals ausführen und genauere Simulationsergebnisse erzielen als ohne den Fehlererkennungscode. Die Erstellung und Verwendung logischer Qubits mit Fehlererkennung ist eine Voraussetzung für die fortgeschrittene Fehlerkorrektur, die einen Quantencomputer in Echtzeit vor verschiedenen Formen von Rauschen schützt.

»Die Simulation des Wasserstoffmoleküls und die so guten Ergebnisse mit logischen Qubits zeigen, wie schnell wir vorankommen«, freut sich Dr. Kentaro Yamamoto, Senior Researcher von Quantinuum. Dieses Ergebnis könnte ein neues Kapitel in der Quanteninformatik aufschlagen: teilweise fehlertolerante Algorithmen zeitnah einzusetzen. Dabei kämen alle Techniken zum Einsatz, die künftig für die Quanteninformatik im großen Maßstab erforderlich sein wird.

Das bedeute für Gebiete wie Energie, Automobilbau und Produktion, die viel in die Erforschung neuer Moleküle und Materialien investieren: Die Zeit bis zum nutzbaren Quantencomputer rückt immer näher.

Die »Stochastic Quantum Phase Estimation« wird Quantinuum auf ihrem »System Model H1« laufen und in künftigen Versionen ihrer Quantenchemie-Plattform »InQuanto« integrieren. Damit können alle, die mit der Entwicklung von neuen Materialien beschäftigt sind, die fehlertoleranten Algorithmen auf Quantencomputern für ihre Forschungen nutzen.

Ende 2021 hatten die beiden führenden Unternehmen in der Quanteninformatikbranche, Honeywell Quantum Solutions und Cambridge Quantum fusioniert. Das neue Unternehmen wurde auf den Namen Quantinuum getauft. Damit sollte das weltweit größte integrierte Unternehmen für Quantencomputer geschaffen werden.