IonQ koppelt Ion und Quantenspeicher mit 1 Kilohertz – laut Preprint, und noch ohne zweiten Rechner

Ein Paar pro knapp einer Millisekunde: 1,032 Kilohertz Erzeugungsrate, also gut tausend erzeugte Ion–Speicher-Bell-Paare pro Sekunde. Das klingt nach Netzwerkgeschwindigkeit, ist aber zunächst eine Messung an einem ganz bestimmten Aufbau: ein Ion auf der einen, ein Quantenspeicher aus Diamant auf der anderen Seite. Rechnen wir nach, und zwar genau, was da verschränkt wurde.

Das Unternehmen IonQ hat am 9. Oktober 2026 per Pressemitteilung ein Experiment vorgestellt. Die Grundlage ist ein Preprint, der laut arXiv-Seite am 7. Oktober eingereicht wurde. Verschränkt wurden ein gefangenes Ion und ein Festkörper-Quantenspeicher, und zwar nicht zwei Quantenrechner miteinander. Den Text finden Sie als Preprint auf arXiv.

Die Zahlen stammen aus einem Preprint, den überwiegend IonQ-Beschäftigte verfasst haben; er ist nicht von unabhängigen Fachleuten begutachtet, und IonQ hat nach eigenen Angaben im Paper Patente zu der Arbeit angemeldet.

Wir bei digital-magazin.de halten uns deshalb an das, was im Paper selbst steht, und trennen drei Dinge: was gemessen wurde, was das Autorenteam vorhersagt und was es lediglich als Ziel formuliert. Die Pressemitteilung kommt von IonQ und wird auch so behandelt. Der erste Teil klärt den Aufbau und den Basisunterschied bei der Vergleichszahl.

Was genau verschränkt wurde: ein Ion und ein Quantenspeicher aus Diamant

Ein einzelnes gefangenes Barium-Ion (¹³⁸Ba⁺) sendet ein Photon mit einer Wellenlänge von 493,5 Nanometern. Dessen Polarisation ist mit dem Spin des Ions verschränkt. Dieses Photon passt nicht direkt zum Speicher. Deshalb wandelt das Team zuerst die Wellenlänge um, in der Fachsprache Frequenzkonversion: In einem PPLN-Kristall (periodisch gepoltes Lithiumniobat), gepumpt bei 1492,3 Nanometern, wird aus dem Photon eines mit 737,45 Nanometern. Anschließend wird die Polarisation in eine Zeitbin-Kodierung übersetzt, das Photon trägt seine Information also in einem frühen oder späten Zeitfenster.

Dann trifft es auf den Speicher. Das ist ein Silizium-Vakanz-Zentrum, kurz SiV⁻, in einem nanophotonischen Diamant-Resonator. Ein SiV⁻ ist ein Farbzentrum im Diamant, dessen Elektronenspin hier als Quantenspeicher dient. Der Resonator sitzt in einem Verdünnungskryostaten bei etwa 100 Millikelvin. Das Photon wird je nach Spinzustand reflektiert und danach von supraleitenden Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) registriert.

Dieser Klick ist das Signal. Das Paper nennt es „heralded“, also angekündigt: Ein einziges detektiertes Photon meldet, dass die Verschränkung zustande gekommen ist. Das Ergebnis ist ein Bell-Paar, ein Paar zweier Qubits in einem maximal verschränkten Zustand, hier eines aus Ion und SiV⁻.

Wie gut dieses Paar ist, misst die Fidelity, also die Übereinstimmung mit einem bestimmten Zielzustand. Hier ist das der Bell-Zustand |Φ⁺⟩. Laut Preprint liegt sie bei 87,9(7) Prozent, die Klammer steht für die Unsicherheit der letzten Stelle. Das sind 87,9 Prozent plus/minus 0,7 Prozentpunkte.

Warum überhaupt ein Speicher dazwischen? Das Paper begründet es so: Bei den bisher schnellsten Ion-Ion-Verbindungen müssen Photonen von beiden Seiten nachgewiesen werden. Die Erfolgswahrscheinlichkeit wächst dort mit dem Quadrat der Sammeleffizienz eines Knotens. Ein reflektierender Speicher braucht dagegen nur ein detektiertes Photon, die Wahrscheinlichkeit wächst linear, und Zwei-Photonen-Interferenz entfällt. Auf der Ionenseite braucht die Verbindung laut Paper „keinen Resonator und keine Optik im Vakuumbehälter“. Ein Objektiv außerhalb des Vakuumfensters sammelt die Photonen und koppelt sie in eine Einmodenfaser.

Was die Gegenseite kostet, steht im Aufbau selbst: Frequenzkonversion, Kodierungswechsel und ein Kryostat gehören zur Kette. Ich finde, das gehört in jede Einordnung, denn „ohne Optik im Vakuum“ heißt nicht „ohne Aufwand“. Dieselbe Firma arbeitet übrigens auch an der Rechner-Seite, wie unser Bericht zu IonQ Superion zeigt. Dort geht es um Hardware zum Rechnen, hier um die Vernetzung.

1,032 Kilohertz – und was die 250 Hertz damit zu tun haben

Zuerst die Messgröße. Ein Kilohertz bedeutet tausend Paare pro Sekunde. Gemessen wurde laut Preprint eine Rate erzeugter, angekündigter Ion–SiV⁻-Bell-Paare von 1,032(11) Kilohertz. Ausgeschrieben sind das 1,032 plus/minus 0,011 Kilohertz, die Klammer gibt die Messunsicherheit an. Im Abstract steht gerundet 1,03(1) Kilohertz. Gemeint ist dieselbe Zahl.

IonQ schreibt in der Pressemitteilung zur Demonstration, die Rate sei mehr als viermal so hoch wie der bisherige Höchstwert für gefangene Ionen (IonQs Wortwahl: „record“):

„… Raten, die mehr als viermal so schnell sind wie der bisherige Rekord für gefangene Ionen, gehalten von der Forschungsgruppe von IonQ-Mitgründer Chris Monroe an der Duke University, die auch als Kooperationspartner am Paper beteiligt ist.“

IonQ-Pressemitteilung vom 9. Oktober 2026, eigene Übersetzung

Das ist IonQs Einordnung. Das Paper nennt die Vergleichszahl selbst. Im Abstract heißt es, die Rate sei viermal so hoch wie die der schnellsten photonischen Verbindung zwischen zwei gefangenen Ionen. In der Einleitung steht, diese Verbindung erzeuge 250 Bell-Paare pro Sekunde, also 250 Hertz.

Der Haken liegt in der Basis. Der Vergleich stammt aus dem Paper selbst, doch die Verbindungstypen sind nicht dieselben. Die 250 Hertz beziehen sich auf zwei gefangene Ionen. Die 1,032 Kilohertz dagegen gelten für ein Ion und einen Festkörperspeicher, hier ist nur eine Seite ein Ion. Es handelt sich um zwei verschiedene Messgrößen, und die Zahlen stehen nebeneinander, ohne dass ein „vorher“ und „nachher“ daraus wird. Ein direkter Vorher-nachher-Vergleich würde mehr behaupten, als das Paper hergibt.

Dazu kommt die Nähe der Beteiligten. Laut Pressemitteilung ist Chris Monroe Mitgründer und Chief Scientist von IonQ, und seine Gruppe an der Duke University hält die Vergleichszahl und arbeitet am Paper mit. Das Autorenteam führt IonQ und das Duke Quantum Center als Institutionen auf. Der Vergleichswert stammt also aus dem Umfeld der Messenden selbst.

Ehrlich gesagt halte ich den Vergleich für legitim, solange man ihn als das liest, was er ist: Das Autorenteam zeigt, dass sich mit einem Speicher auf der einen Seite höhere Raten erreichen lassen als mit zwei Ionen. Ob dieselbe Beschleunigung auch bei einer Verschränkung zweier Ionen ankäme, zeigt das Experiment nicht. Dafür hätte der Speicher als Zwischenstation zwei Ionen verbinden müssen. Das wurde nicht gemessen.

Was bleibt also? Eine saubere Messung an einem einzelnen Link, mit Zahlen, die sich im Paper nachvollziehen lassen. Die Frage, was daraus für vernetzte Rechner folgt, beantwortet der nächste Teil mit den Angaben des Autorenteams selbst.

Nachgerechnet: 1,116 Megahertz mal 0,00108

Wie kommt eine Rate von gut einem Kilohertz überhaupt zustande? Das Paper rechnet es selbst vor, und Rechnen lohnt sich hier. Die Erzeugungsrate setzt sich laut Preprint aus der Wiederholrate der Versuche und den Effizienzen der Teilsysteme zusammen: Ion, Signalkette, Speicher und Protokoll. In der Supplemental-Tabelle S3 steht eine Wiederholrate von 1,116 Megahertz, also gut eine Million Versuche pro Sekunde. Die Gesamteffizienz je Versuch beträgt dort 1,08(18) × 10⁻³.

Rechnen wir nach: 1.116.000 mal 0,00108 ergibt rund 1.205 Hertz. Das ist unsere Rechnung, und sie deckt sich mit der Prognose, die das Autorenteam in Tabelle S3 angibt: 1,21(20) Kilohertz. Die Klammer bedeutet wieder die Unsicherheit der letzten Stellen. Sie ist hier mit rund 0,2 Kilohertz deutlich größer als bei der Messung, weil sich die Unsicherheiten vieler einzeln kalibrierter Effizienzen aufsummieren.

Der Kontrast zur Messung ist der Kern dieses Abschnitts. Die Prognose beruht auf unabhängig kalibrierten Teileffizienzen, gemessen wurden 1,032 Kilohertz. Laut Preprint liegt die gemessene Rate 14 Prozent unter dieser Prognose, „within its uncertainty“, also innerhalb von deren Unsicherheit. Ich finde das bemerkenswert unspektakulär, und zwar im positiven Sinn: Eine Abweichung in dieser Größe, die zur Fehlerspanne passt, spricht dafür, dass das Autorenteam seine Verlustkette im Wesentlichen verstanden hat.

Auch die Taktung passt zusammen. In Abbildung 2 steht je Versuch „896 ns (1.12 MHz)“. Ein Versuch dauert also 896 Nanosekunden, und der Kehrwert liegt bei etwa 1,12 Megahertz. Das ist, gerundet, dieselbe Wiederholrate wie die 1,116 Megahertz aus Tabelle S3.

Woher die verbleibende Lücke kommt, wissen die Autorinnen und Autoren nicht sicher. Sie schreiben: „We suspect that part of this difference arises from birefringence in the basis converter.“ Gemeint ist die Doppelbrechung im Bauteil, das die Polarisation in Zeitfenster umwandelt. Sie trenne die beiden Polarisationsmoden räumlich und senke so die mittlere Einkopplung in die Glasfaser. Das ist eine Vermutung, mehr nicht, und das Paper behandelt sie auch so.

Wir bei digital-magazin.de halten diese Unterscheidung für das, worauf es bei Herstellerpreprints ankommt. Es handelt sich um ein nicht begutachtetes Paper, dessen Autorenschaft überwiegend aus IonQ besteht. Umso nützlicher ist es, dass die Zahlen sich intern gegenseitig prüfen lassen.

731 Versuche, 969 Mikrosekunden – und 612 Hertz mit Auslese

Die Kilohertz-Zahl hat zwei Gesichter, und beide stehen im Paper. Gemessen wurde die Zeit vom Beginn der Initialisierung bis zum Beginn der Auslese. Im Mittel dauert es 969(10) Mikrosekunden, bis ein Paar angekündigt ist, nach durchschnittlich 731(8) Versuchen. „Angekündigt“ (heralded) heißt: Ein einzelnes erkanntes Photon meldet, dass die Verschränkung gelungen ist.

Unsere Rechnung dazu: 731 Versuche zu je 896 Nanosekunden ergeben rund 655 Mikrosekunden reine Versuchszeit. Der Rest geht nach meiner Lesart auf Initialisierung und Rücksetzen, doch diese Aufteilung weist das Paper nicht eigens aus, also halten wir sie als Einordnung fest.

Anders sieht es aus, wenn man die Auslese mitzählt. Sie dauert 664 Mikrosekunden pro Ereignis. Dann liegt die „wall-clock rate of generated and measured pairs“, die Rate erzeugter und gemessener Paare, bei 612(4) Hertz. Der Unterschied ist schlicht: Die 1,032 Kilohertz zählen nur die Erzeugung, die 612 Hertz Erzeugung plus Messung des Zustands.

Ist das ein Schönheitsfehler? Das Paper sieht es nicht so. Der Readout diene der Charakterisierung des Zustands und sei „not optimized for speed“. Außerdem schreiben die Autorinnen und Autoren: „in a distributed quantum computer, gates that consume the pair would take its place.“ In einem verteilten Rechner würden also Gatter, die das Paar verbrauchen, den Platz der Auslese einnehmen. Ob diese Gatter tatsächlich weniger Zeit kosten, zeigt das Experiment nicht, denn solche Gatter kamen darin nicht vor.

„Dieses Intervall schließt den Auslese-Schritt aus (664 µs pro Ereignis), der den Zustand charakterisiert und nicht auf Geschwindigkeit optimiert ist.“

Preprint arXiv 2610.10705, eigene Übersetzung

Zur Rate selbst nennt das Paper einen Hebel: mehr Versuche pro Batch. Dann fällt der relative Aufwand für Initialisierung und Rücksetzen, die Rate steigt. Der Haken: Die Fidelity sinkt. Laut Preprint bestimmt vor allem ein Fehler diesen Zielkonflikt („sets the rate–fidelity trade-off“): Ein Photon erreicht den Speicher, geht auf dem Rückweg aber verloren und dephasiert den SiV⁻. Weil sich dieser Fehler über die Versuche eines Batches aufsummiert, kostet jeder zusätzliche Versuch Fidelity. Ein Batch umfasste in der Hauptmessung bis zu 15 Versuche; Abbildung 2(d) zeigt den Zusammenhang für verschiedene Obergrenzen.

Wo die Fidelity verloren geht

Dieses Bild wurde komplett mit KI generiertProviderhiggsfieldModellgpt_image_2PromptClose-up of a small synthetic diamond chip on a copper holder under a microscope with a green laser spot, laboratory setting. Photorealistic editorial magazine photo, natural light, 16:9. Absolutely no text, no letters, no numbers, no logos, no brand marks, no recognizable products of real brands.

Die Fidelity von 87,9(7) Prozent gibt an, wie nah der erzeugte Zustand am idealen Bell-Zustand liegt. Tabelle I des Preprints schlüsselt auf, wo der Rest verloren geht. Vier Posten, jeweils als Fidelity-Verlust ΔF, also als Verlust, wenn dieses Teilsystem die einzige Fehlerquelle wäre:

• Das Ion trägt 4,3 Prozent bei.
• Die Frequenzkonversion, die das Photon in den passenden Wellenlängenbereich des Speichers schiebt, trägt 2,9 Prozent bei, laut Paper fast ausschließlich durch Konversionsrauschen, das falsche Herold-Signale erzeugt.
• Der Speicher trägt 3,9 Prozent bei.
• Die Detektion, genauer nicht detektierte Herold-Photonen, trägt 1,9 Prozent bei.

Bitte nicht aufaddieren. Das Paper warnt selbst: „The predicted fidelity combines all error sources per correlator, so it is not exactly the product of the subsystem terms.“ Die vorhergesagte Fidelity liegt bei 87,4 Prozent, die rekonstruierte gemessene bei 87,9 Prozent. Die beiden stimmen also gut überein, nur lässt sich diese Zahl nicht durch Subtraktion der vier Posten erzeugen.

Beim Ion nennt das Autorenteam zwei Quellen. Hauptsächlich sei es Pumplicht, das nach einem Herold durch die elektro-optischen Modulatoren leckt (etwa 1,6 Prozent). Dazu kommen Restfehler, die die Autorinnen und Autoren Ionentemperatur und Aberrationen der Sammeloptik zuschreiben (etwa 1,5 Prozent). Beim Speicher gehen laut Paper rund 3 Prozent auf den endlichen Reflexionskontrast des SiV⁻ und auf Kernspin-Flips zurück; Mikrowellenfehler und Dephasierung bleiben jeweils unter 0,4 Prozent.

Spannend ist der Satz zur Perspektive: „None of the dominant errors is fundamental.“ Das Autorenteam führt dazu aus, dass engeres spektrales Filtern, bessere Modulator-Auslöschung, höherer Kontrast und höhere Rückkoppeleffizienz den Fehler jeweils direkt verringern würden. Meiner Einschätzung nach ist das eine Aussage über Ingenieursarbeit, nicht über Ergebnisse. Gemessen ist sie nicht.

Und die Abwägung zwischen Rate und Fidelity? Sie bleibt bestehen. Je länger ein Batch, desto höher die Rate und desto mehr dephasiert der Speicher durch verlorene Photonen. Wer Tempo will, bezahlt mit Fidelity. Konkret belegt das Paper diese Richtung, mehr nicht.

10 bis 100 Kilohertz: die Lücke laut Autorenteam

Die Erzeugungsrate von 1,032 Kilohertz, also gut tausend erzeugte Bell-Paare pro Sekunde, ist damit eingeordnet. Wichtiger ist jetzt die Frage, wogegen man sie hält. Das Autorenteam liefert die Antwort selbst: Das Ergebnis sei „ein Schritt in Richtung der 10–100 Kilohertz, die für verteiltes Quantenrechnen erforderlich sind“ (eigene Übersetzung). Der Bedarf stammt damit von den Autorinnen und Autoren, nicht von uns.

Rechnen wir nach, das ist dann unsere Rechnung: 10.000 geteilt durch 1.032 ergibt rund 9,7, 100.000 geteilt durch 1.032 rund 97. Zwischen Messwert und genanntem Bedarf liegt also etwa das Zehn- bis Hundertfache. Das ist keine Kritik, sondern Arithmetik. Der Haken liegt in der Spanne selbst: Je nach Algorithmus und Fehlerkorrektur kann der Bedarf am unteren oder am oberen Ende liegen.

Ebenfalls unsere Rechnung: 1 geteilt durch 1.032 Paare pro Sekunde ergibt etwa 0,97 Millisekunden je Paar. Das passt zur mittleren Zeit von 969 Mikrosekunden, die ohne Auslese gemessen wurde. Und es passt zur Formulierung im Abstract, die Rate entspreche „einem Bell-Paar pro Millisekunde und passe damit zur Zykluszeit geplanter Ionenprozessoren“ („matching the cycle time of planned trapped-ion processors“, eigene Übersetzung). Der Schluss des Papers klingt meiner Einschätzung nach etwas vorsichtiger: Die Rate sei „vergleichbar mit lokalen Operationen zwischen Ionen“. Ich finde, man sollte beide Sätze genau so stehen lassen. Eine Aussage über die Leistungsfähigkeit kommender Rechner trifft das Paper dort nicht.

Wer ein Ziel nennt, gibt zugleich zu, dass die Lücke noch offen ist. Das Autorenteam erwartet, dass ein höheres Einkoppeln des Ions in die Faser, eine effizientere Signalkette und ein Phasengatter die Verschränkungsrate auf „> 5 kHz“ anheben werden. Das Phasengatter reflektiert das Photon in beiden Spinzuständen und funktioniere deshalb mit stark überkoppelten Resonatoren („strongly overcoupled cavities“). Das ist eine Projektion, gemessen wurde es nicht. Selbst 5 Kilohertz lägen laut den genannten Zahlen noch unter der Spanne von 10 bis 100 Kilohertz.

Auch der Zweck der Übung bleibt im Konjunktiv. Die genannten Fähigkeiten, schreiben die Autoren, könnten zu Ion–Ion-Verschränkung zwischen Quantenprozessoren für „erweiterte fehlerkorrigierte Schaltkreise“ kombiniert werden. Wie solche Schaltkreise im Maßstab geprüft werden, haben wir in unserem Beitrag zum Fehlerkorrektur-Benchmark aus Jülich beschrieben. Das Paper zieht die Linie dorthin, mehr nicht.

100 Millikelvin und ein Vakuum ohne Resonator

Der Speicher sitzt in einem Verdünnungskryostaten bei etwa 100 Millikelvin, also einem Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das ist eine ordentliche Hürde. Das Paper entschärft sie selbst ein Stück: Der Kryostat sei „keine grundsätzliche Anforderung“, denn verspannte SiV⁻-Zentren seien bereits bei bis zu 1,5 Kelvin betrieben worden, was kompakte Kryostaten mit geschlossenem Kreislauf erreichen könnten. Das ist ein Verweis auf frühere Arbeiten, nicht auf dieses Experiment.

Zur Ionenseite sagt das Paper: Die Verbindung brauche „keinen Resonator und keine Optik im Vakuumbehälter“. Ein Objektiv außerhalb des Vakuumfensters sammelt die Photonen und koppelt sie in eine Einmodenfaser. Meiner Einschätzung nach ist das der praktisch interessanteste Satz des Papers, denn Optik nahe am Ion kann laut Einleitung Gatterqualität und Kohärenz verschlechtern. Zu Kosten oder Größe der Kälteanlage macht das Paper keine Angaben, deshalb mache ich auch keine.

Laut IonQ-Pressemitteilung soll die Architektur auch mit anderen Qubit-Typen zusammenpassen: Sie sei „voraussichtlich kompatibel“ („expected to be compatible“) mit mehreren Ansätzen, darunter möglicherweise Neutralatome und supraleitende Systeme mit Transducern, also Geräten, die Mikrowellensignale in Licht umsetzen. Das ist eine Erwartung der Firma. Gezeigt wurde ausschließlich ein gefangenes Barium-Ion.

Was fehlt – und was IonQ sonst ankündigt

Zuerst das Offensichtliche: Gezeigt wurde die Kopplung Ion–Speicher. Zwei Ionen-Quantenprozessoren wurden über den Speicher nicht verschränkt. Dieser Schritt steht im Paper als Möglichkeit. Zweitens ist der Text ein nicht begutachteter Herstellerpreprint, dessen Interessenkonflikte im Abschnitt „Competing interests“ nachzulesen sind, einschließlich des dortigen Hinweises auf Patentanmeldungen.

Dieselbe Firma beschäftigt uns auch an anderer Stelle. In unserem Beitrag zu IonQs Qubit-Rechnung für secp256k1 unter Shor ging es um die Frage, wie viele Qubits ein Angriff bräuchte. Das ist eine andere Baustelle, aber mit einer Verbindung: Große Qubit-Zahlen lassen sich womöglich über mehrere vernetzte Module erreichen. Das Paper begründet Modularität als Weg zu großen Systemen, zitiert dafür aber andere Arbeiten. Ob und wie schnell dieser Weg trägt, entscheidet sich an Raten wie den oben diskutierten. Zur deutschen Förderlandschaft für solche Technik gibt es außerdem unseren Überblick zum Quantum-Computing-Wettbewerb. Mit dem Paper hat er nichts zu tun.

Woran Sie künftige Vernetzungsmeldungen messen können:

• Prüfen Sie den Verbindungstyp: Ion–Ion, Ion–Speicher oder etwas anderes? Zahlen verschiedener Typen sind nicht ohne Weiteres vergleichbar.
• Trennen Sie, was gemessen, was prognostiziert und was als Ziel genannt ist.
• Fragen Sie, ob die Rate mit oder ohne Auslese gilt, denn hier lagen 1,032 Kilohertz ohne und 612 Hertz mit Auslese weit auseinander.
• Achten Sie auf Fidelity und Zielzustand: Welcher Bell-Zustand, mit welcher Messmethode?
• Schauen Sie, ob eine Begutachtung vorliegt und welche Interessenkonflikte die Autorenschaft angibt.

Was bleibt?

Unter dem Strich steht eine sauber dokumentierte Messung: ein Ion, ein Festkörperspeicher, gut tausend angekündigte Paare pro Sekunde, ohne Resonator im Vakuum. Dazu kommt ein Ausbauziel, das die Autoren selbst unter dem genannten Bedarf ansetzen. Das ist weder Hype noch Anlass zur Abwertung. Es ist ein Zwischenstand.

Offen ist, wann die Verschränkung zweier Ionenprozessoren über diesen Speicher folgt. Und mit welcher Rate? Das Paper beantwortet es nicht, und die Frage an IonQ bleibt offen. Wir bei digital-magazin.de werden die nächste Fassung, ob begutachtet oder nicht, mit genau diesen Maßstäben lesen.