Technik

Du glaubst, Quantencomputer seien noch Science-Fiction? Dann hast du KAIST verpasst

von Artisan Baumeister · Veröffentlicht 21. April 2025 · Aktualisiert 21. April 2025

Ein Forschungsteam der KAIST hat erstmals einen dreidimensionalen Cluster-Zustand erzeugt – eine bahnbrechende Technologie für fehlerkorrigierendes Quantencomputing. Die extrem niedrige Fehlerrate könnte den Durchbruch zu skalierbaren, praktischen Quantencomputern markieren.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Was genau ist ein 3D-Cluster-Zustand – und warum ist er revolutionär?
Wie das KAIST-Team das Unmögliche möglich machte
Was bedeutet das für Industrie, Forschung und Skalierbarkeit?
Fazit

Einleitung

Quantencomputer gelten als eines der Datenverarbeitungswunder von morgen – doch mit ihnen zu arbeiten, ist bislang riskant: kleinste Fehler werfen komplexe Rechnungen aus dem Gleichgewicht. Ein Team des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hat nun einen entscheidenden Schritt getan, um dieses Problem zu lösen. In einer Studie, die am 24. Februar 2025 in *Nature Photonics* erschien, belegen sie die weltweit erste experimentelle Erzeugung eines dreidimensionalen Cluster-Zustands. Dieses aus lichtbasierten Qubits gebaute, extrem stabil verschränkte Netzwerk könnte die Grundlage für robuste, skalierbare Quantencomputer bilden. Die technische Raffinesse: Mit Femtosekunden-Lasern und nichtlinearen Kristallen schufen die Forscher eine neue Architektur für messungsbasiertes Quantencomputing. Was wie reine Grundlagenforschung klingt, hat drastische Implikationen – nicht nur für Labore, die Quantenmechanik simulieren, sondern auch für Unternehmen, die industrielle Anwendungen planen. Dieser Artikel beleuchtet, wie aus einem optischen Aufbau ein potenzieller Gamechanger wurde.

Was genau ist ein 3D-Cluster-Zustand – und warum ist er revolutionär?

Wer an Quantencomputer denkt, hat vielleicht ein Bild von fragilen Qubits und exotischen Kühlkammern im Kopf. Weniger sichtbar, aber entscheidend ist jedoch die Architektur, in der diese Qubits miteinander verknüpft sind. Ein dreidimensionaler Cluster-Zustand ist dabei weit mehr als ein strukturelles Upgrade gegenüber früheren Designs – er verändert grundlegend, wie Quanteninformationen verarbeitet und vor Fehlern geschützt werden können.

Vereinfacht gesagt handelt es sich bei einem Cluster-Zustand um ein intensives Netzwerk aus verschränkten Qubits – also Quantenteilchen, die sich durch Messung wechselseitig beeinflussen. In den bisher üblichen zweidimensionalen Konfigurationen sind diese Verbindungen jedoch limitiert: Jeder Qubit hat nur eine Handvoll benachbarter Partner. Wird das Ganze aber in drei Raumdimensionen verlagert, wie es dem KAIST-Team nun gelungen ist, steigt die Konnektivität deutlich an. Das klingt abstrakt, hat aber konkrete Vorteile: mehr Redundanz, robustere Logik, geringere Fehleranfälligkeit.

Genau hier setzt die Bedeutung für die Quanten-Fehlerkorrektur an. Quanteninformation ist extrem störanfällig – selbst kleinste Interferenzen können ganze Berechnungen zunichtemachen. Der dreidimensionale Aufbau erzeugt eine Art topologisches Sicherheitsnetz, durch das Fehler sich schwieriger ausbreiten. Die erreichte Fehlerrate von nur 0,6% und eine Fidelity von über 97% setzen hier neue Maßstäbe. Besonders im messungsbasierten Quantencomputing – bei dem Berechnungen durch gezielte Messungen einer vorbereiteten Struktur erfolgen – eröffnen sich damit neue Qualitätsstufen.

Für skalierbares Quantencomputing ist das ein echter Schritt nach vorn. Die höhere Fehlertoleranz von Quantencomputern auf Basis dreidimensionaler Cluster-Zustände bedeutet: weniger Korrekturmechanismen, mehr Rechenleistung – und erstmals eine realistische Perspektive auf praktisch nutzbare Quantenchips.

Wie das KAIST-Team das Unmögliche möglich machte

Fünf Jahre lang arbeitete das Quantum Optics and Information Laboratory am KAIST unter der Leitung von Prof. Hyeongrak Choi an einem Ziel, das in der Fachwelt lange als kaum praktikabel galt: ein dreidimensionaler Cluster-Zustand auf Basis photonischer Qubits, robust genug für skalierbares Quantencomputing. Das, was sie schließlich am 24. Februar 2025 in Nature Photonics vorlegten, war mehr als ein Machbarkeitsnachweis – es war ein Statement in Sachen fehlertolerante Quantencomputer.

Das Herzstück des Experiments war der Einsatz von Femtosekunden-Zeit-Frequenz-Moden. Diese ultrakurzen Lichtimpulse erlauben es dem Team, einzelne Photonen nicht nur präzise zu erzeugen, sondern auch gezielt in bestimmten Frequenz- und Zeitfenstern zu kontrollieren – eine Grundvoraussetzung für stabile Photonenverschränkung im Gitterverbund.

Zur Erzeugung jener Verschränkung nutzt das Team nichtlineare Kristalle mit sogenannter χ(2)-Nichtlinearität. Durch spontane parametrische Abwärtskonversion werden dabei aus einem eingestrahlten Photon zwei verschränkte Photonen generiert – Bausteine für das dreidimensionale Qubit-Netzwerk.

Das optische Setup: ein hochentwickeltes, mehrstufiges Interferometriesystem, das mehrere verschränkte Photonen gleichzeitig erzeugt, verrechnet und dynamisch zu einem 3D-Qubit-Gitter verknüpft. Die Ergebnisse sprechen für sich: Mit einer Fidelity von über 97 % und einer Fehlerrate von nur 0,6 % ist dieser Aufbau ein Meilenstein in der Quanten-Fehlerkorrektur.

Was dabei besonders bemerkenswert ist: Trotz der enormen experimentellen Komplexität wirkte das Setup nicht wie ein einmaliger Labortrick – sondern wie ein skalierbares Fundament für messungsbasiertes Quantencomputing.

Was bedeutet das für Industrie, Forschung und Skalierbarkeit?

KAISTs Durchbruch bei der Erzeugung eines dreidimensionalen Cluster-Zustands verschiebt die Grenzlinie zwischen Forschung und Anwendung – weg vom Labor, hin zu funktionaler Hardware. Der Vorteil liegt im Design: 3D-Cluster-Zustände erlauben deutlich robustere Quanten-Fehlerkorrektur als bisherige zweidimensionale Ansätze. Weniger Fehler bedeuten weniger Overhead für Korrekturmaßnahmen – und genau das ist der Knackpunkt bei skalierbarem Quantencomputing.

Dass Unternehmen wie PsiQuantum und IQM bereits 2025 Kooperationsgespräche mit KAIST begonnen haben, zeigt: Die Industrie erkennt das Potenzial nicht nur, sie will es aktiv gestalten. Beide Firmen arbeiten an photonischen Quantenarchitekturen – da kommt die Expertise aus KAISTs Quantum Optics and Information Laboratory, insbesondere die Kontrolle von Qubits mittels Femtosekunden-Zeit-Frequenz-Moden und nichtlinearen Kristallen, wie gerufen. Es geht nicht mehr ums “Ob”, sondern ums “Wie schnell?”.

Der Schritt vom Experiment zur Anwendung bleibt komplex, aber Experten schätzen den Transfer als realistisch ein: Die hohe Fidelity von 97 % und die geringe Fehlerrate von 0,6 % gelten als Meilensteine. Gerade für messungsbasiertes Quantencomputing, bei dem Berechnungen durch Messungen auf einem vorbereiteten Cluster-Zustand erfolgen, sind robuste Strukturen wie die von KAIST essenziell. Jede verbesserte Fehlertoleranz senkt den Ressourcenbedarf pro Rechenschritt – das heißt: Weniger Qubits für dieselbe Aufgabe, weniger Energie, weniger Hardwarekomplexität.

Mit anderen Worten: Der theoretische Vorsprung wird messbar – in Watt, in Kubikzentimetern, in Kosten. Und irgendwann: in echten Anwendungen. Materialforschung, Finanzsimulationen, sogar Klimamodelle – sie alle könnten von dieser neuen Generation fehlertoleranter Quantencomputer profitieren.

Fazit

Der Durchbruch der KAIST-Forscher kommt nicht nur zur rechten Zeit, sondern adressiert eines der größten Probleme des Quantencomputings: die Fehleranfälligkeit. Mit ihrem experimentellen Nachweis eines robusten 3D-Cluster-Zustands schaffen sie Bedingungen, die den Aufbau industriereifer Quantenprozessoren erstmals realistisch erscheinen lassen. Die spezifische Kombination aus optischer Präzision, hoher Verschränkung und erstaunlich niedriger Fehlerrate markiert einen Wendepunkt – nicht nur für Theoretiker, sondern auch für Unternehmen, die konkrete Lösungen wollen. Wer bislang glaubte, auf praktische Quantencomputer noch Jahrzehnte warten zu müssen, sollte diesen Forschungsstand genau prüfen. Denn der Pfad von der Laboroptik zum Rechenzentrum ist kürzer geworden.

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