Forschung

Geschützte Qubits

13.01.2021 - Fortschritt in der Entwicklung von fehlertoleranten Quantencomputern.

Auch Computer können sich verrechnen. Schon kleine Störungen verändern gespeicherte Informationen und verfälschen das Rechen­ergebnis. Deshalb nutzen Rechen­maschinen Verfahren, um solche Fehler laufend zu korrigieren. Bei Quantencomputern lässt sich die Fehleranfälligkeit reduzieren, indem Quanten­information nicht in einem einzelnen Quantenteilchen gespeichert, sondern in eine größere Anzahl von Quantenobjekten kodiert wird. Diese logischen Quantenbits sind unempfind­­licher gegenüber Störungen. In den vergangenen Jahren haben Theoretiker viele verschiedene Fehler­korrekturcodes entwickelt und diese für unterschiedliche Aufgaben optimiert. „Die vielver­sprechendsten Codes in der Quantenfehler­korrektur sind solche, die auf einem zweidimensionalen Gitter definiert sind“, erläutert Thomas Monz vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck. „Der Grund dafür ist, dass die physikalische Struktur aktueller Quanten­computer sehr gut durch solche Gitter abgebildet werden kann.“ Mit Hilfe der Codes lässt sich Quanten­information redundant über mehrere Quantenobjekte verteilen. Den Innsbrucker Quantenphysikern ist es nun erstmals gelungen, zwei auf diese Weise kodierte Quantenbits miteinander zu verschränken.

Für ihr Experiment verwenden die Physiker einen Ionen­fallen-Quanten­computer mit zehn Ionen. In diese werden die logischen Quantenbits kodiert. Mit einem Verfahren, das die Wissenschaftler als „Gitter­chirurgie“ bezeichnen, lassen sich die logischen Quantenbits „vernähen“. „Aus den zusammen­genähten Quantenbits entsteht ein neues, größeres Quantenbit“, erklärt Alexander Erhard. „Ein großes logisches Quantenbit kann wiederum mittels Gitter­chirurgie in zwei einzelne logische Quantenbits aufge­trennt werden.“ Im Gegensatz zu den Standard­operationen zwischen zwei logischen Quantenbits erfordert die Gitter­chirurgie nur Operationen entlang der Grenze der kodierten Quantenbits, nicht auf ihrer gesamten Oberfläche. „Dies reduziert die Anzahl der Operationen, die erfor­derlich sind, um eine Verschränkung zwischen zwei kodierten Quanten­bits zu erzeugen“, erläutern die Theoretiker Nicolai Friis und Hendrik Poulsen Nautrup.

Die Gitter­chirurgie gilt als eine der Kern­technologien für den Betrieb zukünftiger fehler­toleranter Quanten­computer. Mit Hilfe dieses Verfahrens haben die Physiker um Thomas Monz und Rainer Blatt nun gemeinsam mit den Theo­retikern Hendrik Poulsen Nautrup und Hans Briegel vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie Nicolai Friis vom Institut für Quantenoptik und Quanten­information (IQOQI) der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften in Wien zwei kodierte Quantenbits miteinander verschränkt. Es handelt sich dabei um die erste experimentelle Realisierung von nicht­klassischen Korre­lationen zwischen topologisch kodierten Quantenbits. Darüber hinaus konnten die Forscher zum ersten Mal die Übertragung von Quanten­zuständen zwischen zwei kodierten Quantenbits demonstrieren.

U. Innsbruck / JOL

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