Forschung

Quanteninformation mit Unordnung schützen

19.05.2022 - Transmon-Quantencomputer benötigen lokale Verstimmungen der Transmon-Quantenbits.

Eine im Rahmen des Exzellenzclusters Materie und Licht für Quanteninformation (ML4Q) durchgeführte Forschungs­arbeit hat modernste Geräte­strukturen von Quanten­computern analysiert und gezeigt, dass einige von ihnen gefährlich nahe an der Schwelle zum chaotischen Zusammenbruch arbeiten. Die Heraus­forderung besteht darin, den schmalen Grat zwischen zu hoher, aber auch zu geringer Unordnung zu finden, um den Betrieb der Geräte zu gewährleisten.

 

Im Wettlauf um eine mögliche Schlüsseltechnologie der Zukunft investieren Tech-Giganten wie IBM und Google enorme Ressourcen in die Entwicklung von Quanten­computer-Hardware. Die derzeitigen Plattformen sind jedoch noch zu fehleranfällig für den praktischen Einsatz. Es gibt noch zahlreiche Herausforderungen, darunter die Beherrschung der Unzulänglich­keiten der Geräte.

Es ist eine alte Stabilisierungs­maßnahme: Wenn große Gruppen Brücken überqueren, müssen sie vermeiden, im Gleichschritt zu marschieren, um die Bildung von Resonanzen zu verhindern, die die Konstruktion destabilisieren. Auch der supra­leitende Transmon-Qubit-Prozessor – die zur Zeit technologisch fortgeschrittene Plattform für Quanten­computer, die von IBM, Google und anderen Konsortien bevorzugt wird – macht sich das gleiche Prinzip zunutze: Absichtlich eingeführte Unordnung blockiert die Bildung von chaotischen Resonanz­fluktuationen und wird so zu einem wesentlichen Bestandteil der Produktion von Multi-Qubit-Prozessoren.

Um diesen scheinbar paradoxen Punkt zu verstehen, kann man sich ein Transmon-Qubit als eine Art Pendel vorstellen. Qubits, die miteinander verbunden sind, um eine Rechenstruktur zu bilden, definieren ein System gekoppelter Pendel – ein System, das wie klassische Pendel leicht zu unkontrollierbar großen Schwingungen mit katastrophalen Folgen angeregt werden kann. In der Quantenwelt führen solche unkontrollierbaren Schwingungen zur Zerstörung der Quanteninformation; der Computer wird unbrauchbar. Absichtlich eingeführte lokale „Verstimmungen“ einzelner Pendel halten solche Phänomene in Schach.

„Der Transmon-Chip toleriert nicht nur, sondern benötigt sogar effektiv zufällige Qubit-zu-Qubit-Unvollkommenheiten“, erklärt Christoph Berke, Doktorand in der Gruppe von Simon Trebst an der Universität zu Köln und Erstautor der Arbeit. „In unserer Studie gehen wir der Frage nach, wie zuverlässig das Prinzip ‚Stabilität durch Zufall‘ in der Praxis ist. Durch Anwendung modernster Diagnostik der Theorie ungeordneter Systeme konnten wir feststellen, dass zumindest einige der industriell verfolgten System­architekturen gefährlich nahe an der Instabilität sind.“

Aus der Sicht der fundamentalen Quantenphysik ist ein Transmon-Prozessor ein Vielteilchen-Quanten­system mit quantisierten Energieniveaus. Mit modernen numerischen Werkzeugen lassen sich diese diskreten Niveaus in Abhängigkeit von den relevanten Systemparametern berechnen, so dass sich Muster ergeben, die oberflächlich betrachtet einem Gewirr von gekochten Spaghetti ähneln. Eine sorgfältige Analyse solcher Strukturen für realistisch modellierte Google- und IBM-Chips war eines von mehreren Diagnose­werkzeugen, die in der Forschungsarbeit angewandt wurden, um ein Stabilitäts­diagramm für Transmon-Quanten­computer zu erstellen.

„Als wir die Google- mit den IBM-Chips verglichen, stellten wir fest, dass im letzteren Fall die Qubit-Zustände so weit gekoppelt sein könnten, dass kontrollierte Rechen­operationen beeinträchtigt werden können“, sagt Simon Trebst, Leiter der Gruppe Computational Condensed Matter Physics an der Universität zu Köln. Um kontrollierte Rechen­operationen zu gewährleisten, muss man also ein Gleichgewicht zwischen der Stabilisierung der Qubit-Integrität und der Ermöglichung der Inter-Qubit-Kopplung finden.

Die Studie wurde im Rahmen des Exzellenzclusters ML4Q in den Arbeitsgruppen von Simon Trebst und Alexander Altland an der Universität zu Köln und der Gruppe von David DiVincenzo an der RWTH Aachen und dem Forschungs­zentrum Jülich durchgeführt. „Dieses Projekt ist in dieser Form einzigartig“, sagt Alexander Altland vom Institut für Theoretische Physik in Köln. „Unser komplementäres Wissen über Transmon-Hardware, numerische Simulation komplexer Vielteilchen­systeme und Quantenchaos war die perfekte Voraussetzung, um zu verstehen, wie Quanten­information mit Unordnung optimal geschützt werden kann. Es zeigt auch, wie die für kleine Referenz­systeme gewonnenen Erkenntnisse auf anwendungs­relevante Designskalen übertragen werden können.“

Das Fazit zieht David DiVincenzo, Gründungs­direktor des JARA-Instituts für Quanteninformation an der RWTH Aachen: „Unsere Studie zeigt, wie wichtig es für Hardware-Entwickler ist, die Modellierung von Bauelementen mit modernster Quanten­zufalls­methodik zu kombinieren und die ‚Chaos-Diagnose‘ als Routine­bestandteil in das Design von Qubit-Prozessoren auf der supra­leitenden Plattform zu integrieren.“

U. Köln / DE

 

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