Thought Leadership
Forscher aus Schweden beschleunigen Quantenoperationen um mehr als das Tausendfache – ein Schritt zu fehlertoleranten Quantencomputern.
Forscherinnen und Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden haben gemeinsam mit einem Team der Tianjin University in China ein Verfahren entwickelt, mit dem sich eine Vielzahl fortgeschrittener Quantenoperationen mehr als tausendmal schneller ausführen lassen als bisher. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und adressiert nach Angaben der Forschenden einen bekannten Engpass auf dem Weg zu fehlertoleranten Quantencomputern.
Fehleranfällige Qubits als Grundproblem
Quantencomputer gelten als vielversprechend für Bereiche wie Arzneimittelforschung, Energiesysteme, Kryptografie, künstliche Intelligenz und Logistik. Bevor dieses Potenzial genutzt werden kann, müssen sie jedoch deutlich zuverlässiger werden als heute. Die grundlegenden Bausteine von Quantencomputern, die Qubits, reagieren bereits auf kleinste Störungen wie elektrisches Rauschen, kosmische Strahlung oder Überhitzung. Anders als bei klassischen Computern, wo etablierte Fehlerkorrekturverfahren Fehler schnell erkennen und beheben können, ist dies bei Quantencomputern deutlich schwieriger. Lei Du, Forscher für angewandte Quantenphysik an der Chalmers University of Technology und Hauptautor der Studie erklärt:
„Die Qubits sind so empfindlich, dass schon die kleinste Störung dazu führen kann, dass der Quantenzustand vom Zielzustand abweicht und Informationen verloren gehen. Sammeln sich zu viele Fehler an, bevor sie korrigiert werden können, kann die Berechnung scheitern.“
Lei Du, Forscher für angewandte Quantenphysik an der Chalmers University of Technology und Hauptautor der Studie
Bosonische Codes als Alternative zu einzelnen Qubits
Als vielversprechenden Ansatz für widerstandsfähigere Quantencomputer untersuchen die Forschenden sogenannte bosonische Quantencodes. Dabei wird die Quanteninformation nicht in einzelnen Qubits, sondern in Mikrowellenfeldern innerhalb supraleitender Schaltkreise gespeichert, was nach Angaben der Forschenden einen stärkeren Schutz vor bestimmten Fehlerarten bietet. Die Erzeugung und Steuerung solcher bosonischer Quantenzustände galt bislang jedoch als besonders aufwendig.
Von Tausenden Schritten zu einem einzigen Zyklus
Frühere Verfahren mussten die gewünschten Quantenzustände Schritt für Schritt aufbauen und benötigten dafür tausende sich wiederholende Steuerzyklen. Das ist ein zeitaufwendiger Prozess, der viel Raum für Fehler lässt. Das an Chalmers entwickelte Verfahren kommt stattdessen mit einem einzigen Steuerzyklus aus. Möglich wird dies durch sogenannte Quantengitter-Gatter, ein von demselben Forschungsteam kürzlich vorgeschlagenes universelles Gatter-Set, das die gewünschte Operation wie ein Shortcut-Befehl in einem einzigen Zyklus abschließt. Tangyou Huang, Forscher für Quantentechnologie an Chalmers, veranschaulicht das Prinzip: „Man kann es sich wie den Bau einer großen Lego-Burg vorstellen. Statt Stein für Stein zu bauen und dabei Fehler zu riskieren, wirken Quantengitter-Gatter wie vorgefertigte Lego-Module, die sich schnell und effizient verbinden lassen.“
Anwendung auf bestehender Hardware geplant
Das Verfahren eignet sich nach Angaben der Forschenden besonders für supraleitende Quantencomputer, eine der führenden Plattformen im weltweiten Wettlauf um leistungsfähige Quantencomputer. Auch an Chalmers wird derzeit ein Quantencomputer mit 100 Qubits auf dieser Basis entwickelt. Ein Vorteil des neuen Ansatzes sei, dass er sich auf bereits bestehenden supraleitenden Schaltkreisen umsetzen lasse. Die Forschenden sprechen nach eigenen Angaben bereits mit Kolleginnen und Kollegen an Chalmers über mögliche experimentelle Umsetzungen und hoffen, in absehbarer Zeit eine praktische Demonstration des Verfahrens zu zeigen. Finanziert wurde die Forschung unter anderem von der chinesischen National Natural Science Foundation (NSFC) sowie dem Wallenberg Centre for Quantum Technology (WACQT) und der Knut and Alice Wallenberg Foundation.
(Chalmers University/red)
