Magic States: Google entschärft einen Engpass der Quantencomputer

Quantencomputer gelten als Rechenmaschinen der Zukunft. Bislang scheitern sie jedoch an einem eher banalen Problem: Sie machen zu viele Fehler. Damit aus ihnen brauchbare Werkzeuge werden, braucht es Fehlerkorrektur, und die ist aufwendig. Besonders teuer ist eine Zutat mit fast märchenhaftem Namen, die sogenannten magischen Zustände (englisch Magic States). Google Quantum AI berichtet nun, dass sich diese Zustände auf seinem Quantenchip Willow mit einem neuen Verfahren deutlich besser herstellen lassen. Laut Google ist die Studie in der Fachzeitschrift Science erschienen, sie wurde also von Fachleuten begutachtet.

Bei dem Ergebnis geht es nicht um einen Chip mit noch mehr Qubits. Es geht um eine grundlegendere Frage: Wie groß muss ein Quantencomputer eigentlich sein, damit er nützlich wird? Fällt die Antwort kleiner aus, rückt der praktische Einsatz näher. Das gilt für Chemie und Materialforschung, aber auch für den Tag, an dem heutige Verschlüsselung angreifbar wird.

Warum Quantencomputer ständig korrigiert werden müssen

Die Grundbausteine eines Quantencomputers, die Qubits, sind extrem empfindlich. Schon kleinste Störungen aus der Umgebung können ihren Zustand verfälschen. Deshalb verfolgt die Forschung einen Umweg: Viele physische Qubits werden zu einem robusteren logischen Qubit zusammengefasst. Ein solches Kollektiv kann Fehler einzelner Mitglieder erkennen und ausgleichen. Dieses Prinzip heißt Quantenfehlerkorrektur. Google nutzt dafür ein Schema namens Surface Code, bei dem die Qubits wie auf einem Schachbrett angeordnet sind und sich gegenseitig überwachen.

Ende 2024 hatte Google mit Willow bereits gezeigt, dass die Fehlerrate eines logischen Qubits sinkt, wenn man es aus mehr physischen Qubits aufbaut. Das galt als wichtiger Meilenstein, denn es belegte, dass sich der Aufwand für Fehlerkorrektur grundsätzlich lohnt. Damit war aber nur ein Teil des Problems gelöst.

Leichte und schwere Rechenschritte

Nicht jede Rechenoperation lässt sich gleich gut schützen. Eine Gruppe von Operationen, die sogenannten Clifford-Gatter, kann man im Surface Code vergleichsweise einfach fehlergeschützt ausführen. Der Haken: Rechnungen, die nur aus diesen Bausteinen bestehen, kann auch ein herkömmlicher Computer effizient nachbilden. Einen echten Vorteil bringen Quantencomputer erst, wenn weitere Operationen hinzukommen, etwa das sogenannte T-Gatter.

Genau dieses T-Gatter lässt sich nicht direkt geschützt ausführen. Stattdessen greift man zu einem Trick: Man bereitet einen speziellen Hilfszustand vor, einen Magic State, und „füttert“ ihn in die Rechnung ein. So wird die schwierige Operation gewissermaßen über eine vorbereitete Zutat erledigt. Diese Zutat muss allerdings sehr sauber sein, sonst schleppt sie neue Fehler in die Rechnung.

Der bisherige Standardweg dafür heißt Destillation. Das Verfahren geht auf die Physiker Bravyi und Kitaev zurück: Aus vielen fehlerhaften Zuständen werden wenige gute veredelt, ähnlich wie man beim Brennen aus viel Maische wenig Hochprozentiges gewinnt. Das kostet Platz. In Bauplänen für künftige Quantencomputer hätten solche „Magic-State-Fabriken“ einen großen Teil aller Qubits belegt.

Kultivieren statt destillieren: Was Google auf Willow gezeigt hat

Die neue Methode heißt Magic State Cultivation, auf Deutsch etwa Kultivierung magischer Zustände. Statt viele Zustände zu veredeln, wird ein einzelner Magic State in einem kleinen Fehlerkorrektur-Code schrittweise „herangezogen“ und dabei laufend überprüft. Schlägt eine Prüfung an, wird der Versuch verworfen und neu begonnen. Das Konzept hatten Google-Forscher um Craig Gidney 2024 zunächst theoretisch beschrieben. Neu ist nun der Nachweis auf echter Hardware.

Laut Googles Ankündigung sinken die Fehler im Vergleich zu nicht kultivierten Zuständen um etwa das 40-Fache. Die erzeugten T-States erreichten eine logische Fidelität, vereinfacht gesagt eine Genauigkeit, von 99,99 Prozent. Google spricht von einem Rekord. Um dorthin zu kommen, baute das Team zusätzliche Steuerung ein, die Störeinflüsse dämpfen soll. Außerdem entwickelte es eine neue Messmethode, bei der die Kultivierung selbst als Werkzeug dient, um ihre Qualität zu bestimmen.

Google bezeichnet die Arbeit als entscheidenden Schritt, um Quantencomputer für den praktischen Einsatz hochzuskalieren. Das Verfahren könne die nötige Größe eines Quantencomputers für praktische Aufgaben deutlich verringern.

Was das für Sicherheit, Forschung und Deutschland bedeutet

Am deutlichsten sind die möglichen Folgen in der IT-Sicherheit. Verbreitete Verfahren wie RSA oder Verschlüsselung mit elliptischen Kurven gelten als angreifbar, sobald ausreichend große, fehlerkorrigierte Quantencomputer existieren. Je kleiner diese Maschinen sein dürfen, desto früher könnte dieser Zeitpunkt kommen. Gidney schätzte 2025, dass sich RSA-2048 mit weniger als einer Million verrauschter Qubits in unter einer Woche brechen lassen könnte. Frühere Schätzungen lagen um ein Vielfaches höher. Die Kultivierung war einer der Bausteine dieser Rechnung.

Das verschärft ein Risiko, das Fachleute „Harvest now, decrypt later“ nennen: Angreifer speichern verschlüsselte Daten schon heute, um sie später zu entschlüsseln. Für Informationen, die lange vertraulich bleiben müssen, wird die Umstellung auf Post-Quanten-Kryptografie damit dringlicher. Gemeint sind Verfahren, die auch Quantencomputern standhalten sollen. Die US-Standardisierungsbehörde NIST hat entsprechende Standards im August 2024 veröffentlicht.

Für Forschung und Industrie gilt: Weniger Qubits pro logischer Operation bedeuten potenziell günstigere und schneller erreichbare Maschinen, etwa für Chemie, Materialforschung oder Logistik. Auch in Deutschland wird an diesem Feld gearbeitet, wenn auch mit kleineren Summen. Das Erlanger Start-up Quint Computing hat laut HPCwire in einer ersten Finanzierungsrunde 9,1 Millionen Euro eingesammelt, um eine neue Architektur für fehlertolerante Quantencomputer zu entwickeln. Fraunhofer IAO und das Karlsruher Institut für Technologie haben zudem nach eigenen Angaben die erste Referenzarchitektur für Quantensoftware vorgestellt. Sie soll beschreiben, wie unterschiedliche Quantencomputer und Softwarelösungen zusammenarbeiten können. Das Forschungsministerium fördert das Projekt laut KIT und Fraunhofer IAO mit rund 15 Millionen Euro. Das KIT ordnet die Lage dabei nüchtern ein:

„Noch gibt es keine praxistauglichen Quantencomputer.“

Offene Fragen

• Baustein statt Rechner: Ein guter Magic State ist noch kein fehlertoleranter Quantencomputer. Offen ist, wie sich die Kultivierung in große, schnelle Rechenabläufe einfügt, etwa ob fertige Zustände schnell genug nachgeliefert werden können.
• Eigene Messmethode: Google hat für die Bewertung ein neues Verfahren entwickelt. Unabhängige Fachleute müssen einschätzen, wie gut sich die Zahlen mit anderen Ergebnissen vergleichen lassen.
• Einordnung durch Dritte: Die genannten Werte stammen aus Googles eigener Darstellung. Bewertungen anderer Forschungsgruppen und Unternehmen stehen noch aus.
• Vorsicht vor Schlagzeilen: Rund um Quantencomputer kursieren viele „Durchbruch“-Meldungen. Es lohnt sich, zwischen begutachteten Fachartikeln und reinen Pressemitteilungen zu unterscheiden.

Fazit: Ein kleiner Baustein mit großer Hebelwirkung

Googles Ergebnis ist kein fertiger Quantencomputer und auch kein Beleg, dass Verschlüsselung morgen gebrochen wird. Es zeigt aber, dass ein theoretisch vorgeschlagener Weg zu günstigeren magischen Zuständen auf realer Hardware funktioniert. Gerade solche unscheinbaren Fortschritte können die Rechnung verändern, wie groß und teuer ein nützlicher Quantencomputer sein muss. Ob sich die Methode im großen Maßstab bewährt, werden die nächsten Jahre zeigen. Für Unternehmen und Behörden ist die Botschaft schon heute klar: Die Vorbereitung auf quantensichere Verschlüsselung sollte nicht warten, bis die Maschinen da sind.