Hürde zum praxistauglichen Quantencomputer genommen

8. Dezember 2021, 12:45
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Die Fehlerkorrektur ist in der Quantenforschung ein umkämpftes Feld. Ein Forscherteam der ETH Zürich meldet nun einen Durchbruch.

Erstmals sei es gelungen, Fehler in Quantensystemen soweit automatisch zu korrigieren, dass die Ergebnisse der Quantenoperationen praktisch verwendet werden können. Das teilt die ETH Zürich mit. "Der Nachweis, dass sich Fehler in einem mit Quanten-Bits (Qubits) arbeitenden Quantencomputer schnell und wiederholt korrigieren lassen, ist ein Durchbruch auf dem Weg zu einem praxistauglichen Quantencomputer", sagt Andreas Wallraff, ETH-Professor am Departement Physik und Direktor des Quantum Center.
Die Ergebnisse des Forscherteams liegen unter dem Titel "Realizing Repeated Quantum Error Correction in a Distance-Three Surface Code" vor und sollen demnächst veröffentlicht werden.
Zur Bedeutung der Forschungen heisst es, dass die Fehlerkorrektur aktuell ein stark umkämpftes Feld in der Quantenforschung sei. Dort würden sich neben technischen Hochschulen auch Konzerne wie Google oder IBM tummeln. Mit der nun von ETH-Forschern mit Kollegen aus Deutschland und Kanada realisierten praktischen Fehlerkorrektur mit Qubits sei bestätigt worden, "dass wir an der ETH Zürich wirklich in der Topliga der Quantenforschung mitspielen".

Ein Reparaturmechanismus für zwei Fehlerarten

Mit dem nun gefunden Reparaturmechanismus, könne nicht nur wie bisher eine der zwei fundamentalen Fehlerarten, die in Quantensystemen unweigerlich auftreten, behoben werden, sondern beide. Die eine Fehlerquelle ist von herkömmlichen Computern bekannt, wo ein Bit die Zustände "0" und "1" annehmen kann, die beim Vertauschen Fehler verursachen. Bei Quanten-Bits kann aber nicht nur das passieren, sondern Qubits können auch beide Zustände gleichzeitig annehmen. Durch dieses quantenphysikalische Phänomen namens Superposition können sich zusätzliche, sogenannte Phasen-Fehler einschleichen.
Laut dem ETH-Forschungsteam ist es nun gelungen, beide Fehlerarten sowohl detektieren als auch korrigieren zu können. Verwendet habe man dazu einen "eigens im Reinraumlabor der ETH Zürich hergestellten Chip, auf dem sich insgesamt 17 supraleitende Qubits befinden. Das ausgeklügelte Korrektursystem arbeite bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, bei minus 273,14 Grad.
Neun der Qubits sind in einem Drei-mal-drei-Gitter zu einem logischen Qubit zusammengefasst, wo letztlich die Berechnungen stattfinden. Die restlichen Qubits dienen als Fehler-Detektoren, und die Steuerelektronik korrigiert die fehlerhaften Signale. Der Clou: Die Hilfsqubits erkennen Fehler, ohne dass der Zustand der logischen Qubits kollabiert.
Dieses Verfahren zur Fehlererkennung und -behebung nennt sich Surface Code. Es sei die erfolgversprechendste Form der Fehlerkorrektur im Quantencomputer, da sie mit den meisten Fehlern umgehen könne, führte Wallraff gegenüber der Nachrichtenagentur 'Keystone-SDA' aus.
Laut der ETH wollen die Forscher in einem nächsten Schritt einen Chip mit einem Fünf-mal-fünf-Qubit-Gitter bauen. Dieser erfordere eine aufwändigere Technik, soll aber auch mehr Qubits zur Fehlerkorrektur enthalten.

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