MultiQ revolutioniert Quantencomputing mit parallelen Schaltkreisen auf neutralen Atomen

MultiQ revolutioniert Quantencomputing mit parallelen Schaltkreisen auf neutralen Atomen

Forscher der Technischen Universität München haben MultiQ vorgestellt, ein neues System, das darauf ausgelegt ist, mehrere Quantenschaltkreise gleichzeitig auf Prozessoren mit neutralen Atomen auszuführen. Aktuelle Quantenhardware hat oft Schwierigkeiten, Leistung und Effizienz in Einklang zu bringen – doch dieser Ansatz zielt darauf ab, beide Herausforderungen zu meistern, indem optimiert wird, wie Schaltkreise die verfügbaren Qubits gemeinsam nutzen.

Hinter MultiQ steht ein Team um Philipp Sieberer, Alexander J. Boyd, Denis Vasilyev, Mihai Gabureac, Loïc Béguin, Jacob P. Covey, Mikhail D. Lukin und Antonio Acín. Ihre Arbeit konzentriert sich auf ein zentrales Problem der Quantencomputing-Technologie mit neutralen Atomen: die bessere Auslastung der Hardware, ohne dabei Genauigkeit einzubüßen.

Prozessoren mit neutralen Atomen gewinnen zwar aufgrund ihrer Skalierbarkeit an Beliebtheit, doch bestehende Systeme müssen oft Kompromisse eingehen. Größere Schaltkreise verlieren häufig an Präzision, während kleinere die Hardware nicht voll auslasten. MultiQ löst dies, indem es Qubit-Arrays logisch in virtuelle Zonen aufteilt. Dadurch können einzelne Schaltkreise vor der Ausführung unabhängig optimiert werden.

Kern des Systems ist ein Compiler, der diese Zonen abbildet und sicherstellt, dass die Schaltkreise effizient parallel laufen. Die Architektur umfasst zudem eine Steuereinheit zur Verwaltung der Ausführung sowie eine Prüfkomponente zur Überprüfung der Ergebnisse. Tests auf einem simulierten 64-Qubit-Prozessor zeigten eine Beschleunigung um das bis zu 2,3-Fache im Vergleich zur sequenziellen Abarbeitung der Schaltkreise.

Die Forscher führten eine neue Kennzahl ein, die sogenannten Quantenzyklen, um zu messen, wie gut das System die Qubit-Nutzung und die Bearbeitungszeit ausbalanciert. Experimente ergaben eine Steigerung des Durchsatzes um das 3,8- bis 12,3-Fache, wenn zwischen vier und vierzehn Schaltkreise gleichzeitig ausgeführt wurden. Entscheidend ist, dass die Genauigkeit in allen Tests stabil blieb – ein Beleg für die Zuverlässigkeit der Methode.

Durch die Verringerung von Verzögerungen bei der Initialisierung der Schaltkreise und die bessere Auslastung der Hardware könnte MultiQ Quantencomputer mit neutralen Atomen deutlich praxistauglicher für reale Anwendungen machen.

Die Fähigkeit von MultiQ, mehrere Schaltkreise parallel auszuführen, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen, stellt einen wichtigen Fortschritt für das Quantencomputing mit neutralen Atomen dar. Die Leistungssteigerungen – mit einem bis zu 12,3-mal höheren Durchsatz – deuten darauf hin, dass das System dazu beitragen könnte, die heutige Quantenhardware effizienter zu nutzen.

Darüber hinaus liefert die Studie ein Rahmenwerk zur Messung der Mehrprogramm-Ausführung und bietet damit eine klarere Grundlage, um künftige Entwicklungen in diesem Bereich zu bewerten.