Google Quantum AI gab am Donnerstag bekannt, dass eine Technik namens Magic State Cultivation die Fehler auf seinem Willow-Chip etwa um den Faktor 40 reduziert hat und dabei Magic States mit einer rekordverdächtigen Treue von 99,99 % erzeugt wurden. Das Unternehmen sagt, es habe einen der vielversprechendsten theoretischen Tricks der Quantencomputing in etwas verwandelt, das auf einem Chip tatsächlich funktioniert; die Ergebnisse wurden am Donnerstag in Science veröffentlicht.

Magic States sind Einweg-Ressourcen, die benötigt werden, um nützliche Quantenprogramme auszuführen, und Google zufolge belaufen sich Schätzungen zufolge die Kosten ihrer Herstellung auf bis zu 95 % der Kapazität eines Quantencomputers.

Dass Quantencomputer günstiger zu bauen sind, ist weit über die Physiklabore hinaus bedeutsam. Es rückt den Tag näher, an dem die Maschinen nützliche Arbeit leisten können, etwa bei der Entwicklung von Medikamenten und neuen Materialien – und gleichermaßen den Tag, an dem man die Verschlüsselung knacken könnte, die Online-Banking-Zugänge und Bitcoin-Wallets schützt.

Warum Magic States wichtig sind

Quantencomputer laufen auf Qubits – Quantenbits, die gleichzeitig eine Mischung aus 0 und 1 enthalten können, sodass sie viele Antworten parallel erkunden können. Sie sind zugleich extrem empfindlich: Schon etwas Hitze oder elektrisches Rauschen kann ein Qubit umkippen und eine Berechnung ruinieren. Deshalb ist die gesamte Branche besessen von der Fehlerkorrektur, bei der eine Information über viele Qubits verteilt wird, damit Fehler erkannt und behoben werden können. Google Chip Willow, vorgestellt im Dezember 2024, hat dieses Prinzip auf echter Hardware demonstriert: Je größer der fehlerkorrigierende Code skaliert wird, desto mehr sinken die Fehlerraten, statt zu steigen.

Die Fehlerkorrektur bewältigt die einfachen Operationen gut, aber ein wirklich nützliches Programm benötigt auch eine Klasse von schwierigeren Operationen, die sich nicht auf dieselbe Weise schützen lassen. Um sie auszuführen, muss die Maschine zunächst Magic States herstellen, die wie Einweg-Brennstoffzellen für diese Operationen wirken: Jede wird verbraucht, sobald sie eingesetzt wird.

Die Herstellung sauberer Magic States war stets extrem teuer. Nach Googles Angaben belaufen sich manche Schätzungen auf bis zu 95 % der Gesamtkapazität eines Quantencomputers, womit für die eigentliche Berechnung kaum Raum bleibt.

Von der Destillation zur Kultivierung

Die Physiker Sergei Bravyi und Alexei Kitaev skizzierten 2004 mit der Magic State Destillation die Standardlösung, bei der viele verrauschte Magic States zu wenigenuberen eingedampft werden. Das funktioniert, erfordert aber riesige Qubit-"Fabriken", die nichts anderes tun.

2024 schlugen Google-Forscher einen günstigeren Weg vor, den sie Magic State Cultivation nannten. Statt einer Fabrik verhält sich die Technik wie ein Filter: Ein roher Magic State wird in einen kleinen Bereich des Chips injiziert, eine Kette von Prüfungen wird durchlaufen, jeder Versuch mit einem erkannten Fehler wird verworfen, und die Überlebenden werden weiter wachsen gelassen. Ihr Papier ging so weit zu suggerieren, dass weitere Destillation "in der Praxis möglicherweise nie benötigt wird."

"Auf Googles Quantum-AI-Prozessor Willow erreichte unser Protokoll eine außergewöhnliche Reduzierung der Fehler um das 40-Fache gegenüber nicht kultivierten Zuständen. Und wir erhielten T-Zustände mit einer rekordverdächtigen logischen Treue von 99,99 %", sagte Google in seiner Ankündigung. T-Zustände sind die besondere Art von Magic State, die für die Anwendung des T-Gatters verbraucht wird, einer der schwierigeren Operationen, die die Fehlerkorrektur nicht allein schützen kann.

Nur etwa 8 % der Versuche bestanden sämtliche Prüfungen, das heißt, der Chip verwirft mehr als neun von zehn Versuchen, um einen sauberen Zustand zu behalten.

Die kryptografische Bedeutung

Cultivation ist einer der Tricks hinter Gidneys Schätzung von 2025, dass die RSA-2048-Verschlüsselung mit weniger als einer Million verrauschter Qubits geknackt werden könnte – ein Rückgang um den Faktor 20 gegenüber den 20 Millionen, die er 2019 schätzte.

Google legte im März nach, als ein Quantum-AI-Whitepaper, das gemeinsam mit Ethereum-Foundation-Forscher Justin Drake und dem Stanford-Kryptographen Dan Boneh verfasst wurde, die Kosten für das Brechen von Bitcoins Kryptografie elliptischer Kurven – der Mathematik, die verhindert, dass jemand aus einer öffentlichen Adresse einen privaten Schlüssel ableitet – auf weniger als 500.000 physische Qubits bezifferte. Dem war im Oktober zuvor das Quantum-Echoes-Experiment des Unternehmens vorausgegangen, der erste verifizierte Quantengeschwindigkeitsvorteil auf echter Hardware.

Die Verteidigung bewegt sich nach eigenem Zeitplan: Das NIST finalisierte im August 2024 seine ersten Post-Quanten-Kryptografiestandards – Algorithmen, die gegenüber Angriffen großer künftiger Quantenmaschinen beständig sein sollen – und hat vorgeschlagen, quantenanfällige Public-Key-Verfahren wie RSA und Kryptografie elliptischer Kurven nach 2035 in Bundesbehördensystemen nicht mehr zuzulassen.

Noch weit davon entfernt, Codes zu knacken

Mit dieser Technik werden noch keine Wallets geleert. Das Experiment nutzte höchstens54 der 105 Qubits von Willow, und das Papier stellt fest, dass die Faktorisierung eines RSA-2048-Schlüssels Magic States mit Fehlern von etwa eins zu zehn Milliarden erfordern würde – rund eine Million Mal sauberer als das, was Google gerade erreicht hat.

Wie es weitergeht

Google sagt, der nächste Schritt sei die Durchführung der Cultivation im größeren Maßstab. Das Team rechnet damit, dass eine Halbierung des zugrunde liegenden Hardware-Rauschens von Willow die Magic-State-Fehler auf etwa zwei von 100.000 drücken würde, da die Fehler im Prozess mit der dritten Potenz des Rauschpegels des Chips schrumpfen. Die Durchlassquote von rund 8 % ist die andere Zahl, die man im Auge behalten sollte: Je mehr Versuche sämtliche Prüfungen bestehen, desto weniger Kapazität der Maschine fließt in Versuche, die am Ende verworfen werden.