Forschung

Hilfe bei verschwundenen Qubits

11.09.2020 - Quantenfehlerkorrektur erlaubt es Quantencomputern, auch bei Ausfällen weiter zu rechnen.

Qubits sind anfällig für Fehler, die durch unerwünschte Wechselwirkungen mit der Umwelt verursacht werden. Diese Fehler häufen sich während einer Quanten­rechnung an, ihre Korrektur ist für den zuverlässigen Einsatz von Quanten­computern eine zentrale Voraussetzung. Ähnlich wie der klassische Computer benötigt auch der Quanten­computer eine funktionierende Fehler­korrektur.
 

Inzwischen können Quanten­computer mit einer gewissen Anzahl von Rechenfehlern, wie zum Beispiel Bitflip- oder Phasenflip-Fehlern, umgehen. Zusätzlich zu diesen Fehlern können jedoch auch Qubits ganz aus dem Quanten­register verloren gehen. Je nach Art des Quantencomputers kann dies auf den tatsächlichen Verlust von Teilchen wie Atomen oder Ionen zurück­zuführen sein, oder darauf, dass Quantenteilchen beispielsweise in unerwünschte Energie­zustände übergehen, welche nicht mehr als Qubit erkannt werden. Wenn ein Qubit verloren geht, wird die Information in den verbleibenden Qubits unlesbar und ungeschützt. Für das Ergebnis der Berechnung kann dieser Prozess zu einem potentiell verheerenden Fehler werden.

Ein Team um Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat nun in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern aus Deutschland und Italien fortgeschrittene Methoden entwickelt und implementiert, die es ihrem Ionenfallen-Quantencomputer erlauben, sich in Echtzeit an den Verlust von Qubits anzupassen und den Schutz der fragilen Quanten­information aufrecht­zuerhalten. „In unserem Quantencomputer können die Ionen, die die Qubits speichern, für sehr lange Zeit, sogar Tage, gefangen werden“, erzählt Roman Stricker aus dem Team von Rainer Blatt. „Unsere Ionen sind jedoch viel komplexer, als die vereinfachte Beschreibung als zweistufiges Qubit vermuten lässt. Dies bietet ein großes Potenzial und zusätzliche Flexibilität bei der Steuerung unseres Quanten­computers, führt aber leider auch dazu, dass Quanten­information aufgrund von unvollkommenen Rechen­operationen oder Zerfalls­prozessen verloren geht.“ 

Mit einem von der Theorie-Gruppe um Markus Müller an der RWTH Aachen und dem Forschungs­zentrum Jülich in Zusammenarbeit mit Davide Vodola von der Universität Bologna entwickelten Ansatz hat das Innsbrucker Team gezeigt, dass ein solcher Verlust in Echtzeit erkannt und korrigiert werden kann. Müller betont, dass „die Kombination von Quanten­fehler­korrektur und der Korrektur von Qubit-Verlusten ein notwendiger nächster Schritt in Richtung großer und robuster Quantencomputer ist.“

Die Forscher mussten zwei Schlüsseltechniken entwickeln, um ihren Quantencomputer vor dem Verlust von Qubits zu schützen. Die erste Heraus­forderung bestand darin, den Verlust eines Qubit überhaupt zu erkennen: „Die direkte Messung des Qubits ist keine Option, da dies die darin gespeicherte Quanteninformation zerstören würde“, erklärt Philipp Schindler von der Universität Innsbruck. „Wir konnten dieses Problem überwinden, indem wir eine Technik entwickelten, bei der wir mit einem zusätzlichen Ion prüfen, ob das fragliche Qubit noch vorhanden ist oder nicht, ohne es aber zu stören“, erläutert Martin Ringbauer. 

Die zweite Herausforderung bestand darin, den Rest der Berechnung in Echtzeit anzupassen, falls tatsächlich ein Qubit verloren geht. Diese Anpassung ist entscheidend, um die Quanten­information nach einem Verlust zu entschlüsseln und die verbleibenden Qubits zu schützen. Der Leiter des Innsbrucker Teams, Thomas Monz, betont, dass „alle in dieser Arbeit entwickelten Bausteine leicht auf andere Quanten­computer­architekturen und andere führende Protokolle zur Quanten­fehler­korrektur anwendbar sind“.

U. Innsbruck / DE
 

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