Fujitsu-Experten prognostizieren Die Quanten-Schwerpunkte im Jahr 2025

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Durchbrüche bei der Quantenfehlerkorrektur bieten einen vielversprechenden Ausblick für 2025. Zu dem, was kommt, äußern sich die Forscher Shintaro Sato, Stefan Walter von Fujitsu sowie Andreas Rohnfelder, Head of Quantum (Inspired) Optimization bei Fujitsu.

Das Quantencomputing weckt erhebliche Erwartungen und Interessen, befindet sich jedoch weiterhin in einer frühen Entwicklungsphase. Substanzielle Fortschritte in der Quantenhardware und -software sind erforderlich, um diese Technologie praktikabler zu machen und komplexe Anwendungen wie Materialsimulationen, quantenchemische Berechnungen, Medikamentenentwicklung und Quantenkryptographie zu ermöglichen.

Im Jahr 2025 richten sich die Anstrengungen auf wichtige Fortschritte in der Leistung sowohl der Quantenhardware als auch der Quantensoftware, insbesondere im Bereich der Fehlerkorrekturtechniken. Die Bedeutung von Quantensoftware nimmt rapide zu und spielt eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung von Quantensystemen. Während klassische Bits in Computern stabil und robust sind, sind die Qubits in Quantencomputern wesentlich anfälliger für Störungen und Fehler.

Quantenoperationen leiden unter Fehlern, die aus drei Hauptquellen stammen: Dekohärenz, die zum Verlust der Qubit-Kohärenz führt; Gatterfehler, die durch Imperfektionen in Quantengattern verursacht werden und zu fehlerhaften Qubit-Manipulationen führen; und Messungenauigkeiten, die aus ungenauen Messungen von Qubit-Zuständen resultieren.

Quantenfehlerkorrekturcodes

Software spielt eine entscheidende Rolle bei der Minimierung dieser Fehler. Ein vielversprechender Ansatz ist die Quantenfehlerkorrektur (QEC), bei der Quanteninformationen redundant über mehrere Qubits kodiert werden, die mit zusätzlichen Qubits (Ancillas) verschränkt sind. Diese Methode ermöglicht die Erkennung und Korrektur von Fehlern, ohne die relevanten Qubits direkt zu messen.

Im Jahr 2025 erwarten die Experten wesentliche Fortschritte bei Quantenfehlerkorrekturcodes (QECCs), die das Quantencomputing skalierbarer und widerstandsfähiger machen. Insbesondere dürften effizientere Methoden zur Implementierung von QECCs entwickelt werden, wie beispielsweise Oberflächen-Codes und Quanten-Low-Density-Parity-Check-Codes (QLDPC-Codes). Diese könnten praktikabler werden und weniger physikalische Qubits benötigen um logische Qubits zu kodieren.

Surfqace-Codes gelten aufgrund ihres relativ geringen Qubit-Overheads und ihrer Robustheit als vielversprechend. Die Spezialsieten gehen davon aus, dass im Jahr 2025 Optimierungen des Surface-Codes umgesetzt werden, etwa durch die Reduktion der Anzahl physikalischer Qubits, die für logische Operationen notwendig sind. Innovationen könnten auch verbesserte Topologien des Surface- Codes umfassen, die die Anordnung von Qubits optimieren, sowie fortschrittlichere Techniken zur Fehlerunterdrückung, die die Effizienz dieser Codes weiter steigern.

Kettenbildung

Zudem erwarten wir Fortschritte bei QLDPC-Codes, die eine Alternative zu Oberflächen-Codes darstellen. QLDPC-Codes nutzen dünnbesetzte Prüfmatrizen, was sie hoch skalierbar macht und ihnen ermöglicht, höhere Fehlerraten zu tolerieren. Dies könnte sie in vielen Anwendungsfällen zu einer überlegenen Option machen.

Ein weiterer wichtiger Ansatz ist die Codeverkettung, bei der verschiedene QECCs überlagert werden, um ein mehrstufiges Schutzsystem zu schaffen. Hybride Ansätze, die Oberflächen-Codes mit QLDPC-Codes kombinieren, könnten die Fehlertoleranz verbessern und gleichzeitig den Overhead relativ niedrig halten.

Hochgeschwindigkeits-Decoder

Ein zentraler Baustein effektiver QEC-Schemata ist die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Decodern. Diese Algorithmen, zunehmend in Kombination mit spezialisierter Hardware, sind dafür verantwortlich, Fehlerkorrekturen in Echtzeit durchzuführen. Hochgeschwindigkeits-Decoder analysieren die Ancilla-Messungen und bestimmen effizient den wahrscheinlichsten ursprünglichen Quantenzustand.

Die Geschwindigkeit der Decodierung ist entscheidend, da zusätzliche Fehler während einer verzögerten Decodierung die Wirksamkeit der Korrektur beeinträchtigen könnten. Fortschritte in diesem Bereich sind essenziell für die Skalierbarkeit und den praktischen Einsatz von Quantencomputern.

Ankunft in der Praxis

Fortschritte in der Quantenfehlerkorrektur werden disruptive Auswirkungen auf das Quantencomputing haben. Durch die Reduzierung der Fehlerraten und die Verlängerung der Verarbeitungszeiten können Quantensysteme tiefere und zuverlässigere Berechnungen durchführen – ein entscheidender Faktor für die Ausführung komplexer Algorithmen.

In Anwendungsbereichen wie der Medikamentenentwicklung und der Materialwissenschaft könnten Quantencomputer molekulare Wechselwirkungen und Quanteneigenschaften neuer Materialien auf atomarer Ebene simulieren. Solche Berechnungen übersteigen oft die Fähigkeiten klassischer Computer. Mit verbesserter Fehlerkorrektur könnten Quantencomputer präzisere und verwertbare Erkenntnisse liefern und so Durchbrüche bei der Entwicklung neuer Medikamente, nachhaltiger Materialien und innovativer Energielösungen beschleunigen.

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