Quantencomputing-Durchbruch bei der Fehlerkorrektur

Internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Theoretical Quantum Technology Group der RWTH Aachen hat Fehler in digitalen Quantensystemen schnell und kontinuierlich korrigiert.

 

Forschende der ETH Zürich, unterstützt von der Theoretical Quantum Technology Group der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Kanada, ist es erstmals gelungen, Fehler in digitalen Quantensystemen schnell und kontinuierlich zu korrigieren. Mit dieser in Nature veröffentlichten Arbeit haben die Forscher eine wichtige Hürde auf dem Weg zum praktischen Quantencomputing genommen.

,,Der Bau praktischer Quantencomputer hängt entscheidend von der Fähigkeit ab, Fehler auf Quantenbits (Qubits) schnell genug und wiederholt zu erkennen und zu korrigieren, bevor sie sich häufen und zu Ausfällen der Quantenberechnungen führen", erklärt Markus Müller, dessen Theorie-Forschungsgruppe am Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen und am Peter-Grünberg-Institut des Forschungszentrums Jülich Protokolle für Quantencomputing und Fehlerkorrektur untersucht.

System erkennt und korrigiert Fehler

Bisherige Fehlerkorrekturverfahren waren nicht in der Lage, beide grundlegenden Fehlerarten, die in Quantensystemen auftreten, gleichzeitig zu erkennen und zu korrigieren. Ein Team von Andreas Wallraff an der ETH Zurich hat nun das erste System vorgestellt, das beide Fehlerarten wiederholt erkennen und korrigieren kann. Diesen wichtigen Erfolg erzielten die Forscher mit einem Chip, der über insgesamt 17 supraleitende Qubits verfügt und bei einer Temperatur von nur 0,01 Kelvin, knapp über dem absoluten Nullpunkt, betrieben wird.

Die Fehlerkorrektur führte das Forscherteam mit dem sogenannten Oberflächencode durch - einem Verfahren, bei dem die Quanteninformation eines Qubits auf mehrere physikalische Qubits verteilt wird. Neun der 17 Qubits des Chips sind in einem quadratischen Drei-mal-drei-Gitter angeordnet und bilden zusammen ein sogenanntes logisches Qubit: die Recheneinheit eines Quantencomputers. Die restlichen acht Qubits auf dem Chip sind von ihnen versetzt; Ihre Aufgabe ist es, Fehler im System zu erkennen.

Verfälscht eine im logischen Qubit auftretende Störung die Information, erkennt das System diese Störung als Fehler. Diese Informationen werden gewonnen, indem die acht zusätzlichen Qubits wiederholt und schnell gemessen werden. Aus diesen Informationen kann dann abgeleitet werden, welche Art von Fehler am wahrscheinlichsten aufgetreten ist und wo auf dem Chip dieser aufgetreten ist, ohne die im logischen Qubit gespeicherte Quanteninformation zu stören. Um den Effekt erkannter Fehler zu beheben, kann man dann entweder geeignete Korrekturen auf die Qubits anwenden, oder es reicht für die meisten Anwendungen - wie auch im vorliegenden Experiment - aus, die erkannten Fehler zu verfolgen und erst nach Ende der Quantenberechnung zu korrigieren.

Die RWTH Aachen und das Forschungszentrum Jülich sind an einer Reihe von Forschungskonsortien beteiligt, die darauf abzielen, praktische Quantencomputer auf der Grundlage verschiedener vielversprechender physikalischer Plattformen zu bauen, darunter gefangene Ionen (AQTION, IQuAn), neutrale Atome (MUNIQC-Atoms) und supraleitende Qubits (OpenSuperQ, QSolid). ,,Die Experimente unserer Kollegen an der ETH Zürich sind eindrücklich und zeigen das Potenzial von Quantenfehlerkorrekturtechniken, um Quantenprozessoren vor Störungen zu schützen", sagt Müller. ,,Es wird erwartet, dass größere Geräte, die derzeit entwickelt werden, eine komplexere Technologie erfordern werden. Aber - wenn sie mit Fehlerkorrekturprotokollen ausgestattet sind - werden sie schließlich einen noch höheren Schutz vor Fehlern bieten."

Publikation: Krinner, S. et al.: Realizing Repeated Quantum Error Correction in a Distance-Three Surface Code (Nature 2022)




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