Robuste Rechenoperationen für den Quantencomputer

Mit ihren erheblich größeren Rechen­leistungen sollen Quanten­computer künftig Aufgaben lösen, an denen heutige Computer scheitern und es so beispiels­weise erlauben, neue Materialien und Wirkstoffe zu verstehen und zu erfinden oder die Grenzen von Verschlüs­se­lungs­verfahren aus­zu­loten. Forscher der Uni Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt haben jetzt ein neues Ionen-Verfahren vor­ge­stellt, welches die Fehler­rate weiter reduziert und so deutlich schneller verläss­liche Rechen­ergebnisse liefert.

Derzeit sind zwei experimen­telle Ansätze zur Reali­sierung von Qubits am weitesten fort­ge­schritten: supra­leitende Schalt­kreise und gefangene Ionen. Erstere speichern die Quanten­information in elektro­nischen Bau­elementen, letztere in unter­schied­lichen Energie­niveaus einzelner Atome. In supra­leitenden Schalt­kreisen konnte vor kurzem erst­mals experi­mentell gezeigt werden, dass ein Quanten­computer hoch­spezia­li­sierte Aufgaben bearbeiten kann, an denen ein klassischer Computer scheitert. Ionen zeichnen sich hingegen dadurch aus, dass die Fehler­rate der Rechen­opera­tionen bisher immer wesent­lich geringer war als bei jedem anderen Ansatz.

Das nun entwickelte Ionen-Verfahren reduziert die Fehler­rate weiter und liefert so deutlich schneller verläss­liche Rechen­ergebnisse. Es folgt einem Ansatz, bei dem die Ionen mit Hilfe elektrischer Felder oberhalb einer Chip-Struktur in einem Vakuum fest­ge­halten werden. Die Rechen­opera­tionen auf den Qubits werden durch­ge­führt, indem Mikro­wellen­signale durch spezielle, in die Chip-Struktur ein­ge­lassene Leiter­schleifen geschickt werden. Üblicher­weise werden zur Durch­führung von Rechen­operationen extrem genau kontrol­lierte Laser­strahlen verwendet. Die Verwendung von Mikro­wellen hat den Vorteil, dass die Mikro­wellen­techno­logie sehr weit entwickelt ist und dass es vergleichs­weise einfach ist, diese Felder zu kontrol­lieren.

Die Forscher haben jetzt unter­sucht, wie man die Rechen­operationen auf den Qubits am effizien­testen durch­führt. Das ist eine Frage, die auch in heutigen Computer­chips von großer Relevanz ist, denn am Ende entscheidet die Energie, die pro Rechen­operation benötigt wird, darüber, wie viele davon pro Sekunde durch­ge­führt werden können, bevor der Chip zu heiß wird. Im Falle des Ionen-Mikro­wellen-Quanten­computers konnten die Forscher zeigen, dass speziell geformte Mikro­wellen­pulse, bei denen das Mikro­wellen­feld langsam auf- und wieder abgebaut wird, bei gleichem Energie­einsatz trotz Vorliegen von Stör­quellen ein­hundert­mal niedrigere Fehler­raten auf­weisen als eine Rechen­operation, bei denen die Felder einfach an- und ausge­knipst werden.

Das Team hatte dazu zusätz­liche, genau kontrol­lierte Stör­quellen in das Experiment einge­bracht und die Rechen­fehler für unter­schied­lich starke Stör­quellen und für beide Puls­formen ermittelt. „Für unser Experiment hat das einen riesigen Unter­schied gemacht“, so Giorgio Zaranto­nello von der Uni Hannover. „Früher mussten wir für gute Rechen­operationen lange Probieren und Optimieren, bis wir einen Moment erwischten, in dem die Stör­quellen sehr klein waren. Jetzt können wir unser Experiment einfach einschalten, und es funktioniert!“

Nachdem die Wissenschaftler zeigen konnten, das elementare Rechen­operationen mit niedrigen Fehler­raten realisiert werden können, wollen sie das auch für komplexere Aufgaben erreichen. Ihr Ziel ist, deutlich weniger als einen Fehler alle zehn­tausend Operationen zu erreichen. Erst dann ist es sinnvoll, die Anwendung auf viele Qubits zu erweitern. Hierzu haben die Wissen­schaftler bereits ein paten­tiertes Herstel­lungs­ver­fahren entwickelt, das es ermöglicht, viele Qubits in einer Chip­struktur zu speichern und zu mani­pu­lieren.

LUH / PTB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  G. Zarantonello et al.: Robust and Resource-Efficient Microwave Near-Field Entangling 9Be+ Gate, Phys. Rev. Lett. 123, 260503 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.260503
• Institut für Quantenoptik, Fklt. für Mathematik und Physik, Leibniz-Universität Hannover
• QUEST – Institute for Experimental Quantum Metrology, Physikalisch-Technische Bundesanstalt