10.03.2021 • Quantenphysik

Bauplan für fehlertolerante Qubits

Schaltkreis mit passiver Fehlerkorrektur ist von Natur aus gegen Störungen geschützt.

Die Störanfälligkeit von Qubits gilt als eine der Haupthürden beim Bau eines universellen Quantencomputers. Um das Problem in den Griff zu bekommen, wurden verschiedene aktive Korrekturverfahren entwickelt. Im Gegensatz dazu haben Forscher um David DiVincenzo vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen zusammen mit Partnern von der Universität Basel und dem QuTech Delft nun einen Entwurf für einen Schaltkreis mit passiver Fehlerkorrektur vorgestellt. Eine solche Schaltung wäre schon von Natur aus gegen Störungen geschützt und könnte den Bau eines Quantencomputers mit einer großen Zahl von Qubits erheblich vereinfachen.

Abb.: Skizze des fehlertoleranten Schaltkreises. (Bild: M. Rymarz et al.... — Abb.: Skizze des fehlertoleranten Schaltkreises. (Bild: M. Rymarz et al. / APS; CC BY 4.0)

Um die Quanteninformation zuverlässig kodieren zu können, werden üblicherweise mehrere instabile Qubits zu einem logischen Qubit kombiniert. Durch Quantenfehlerkorrektur-Codes wird es damit möglich, Fehler einzelner Qubits zu erkennen und anschließend zu beheben, sodass die Quanteninformation über längere Zeit erhalten bleibt. Die Anwendung einer solchen aktiven Fehlerkorrektur in einem Quantencomputer ist jedoch sehr aufwändig. Typischerweise wird für jedes Qubit eine komplizierte Elektronik zur Fehlerkorrektur benötigt, was den Aufbau von Schaltungen mit vielen Qubits, wie sie für den Bau eines Quantencomputers erforderlich sind, erschwert.

Der neue Entwurf für einen supraleitenden Schaltkreis besitzt dagegen eine Art eingebaute Fehlerkorrektur. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie schon von sich aus gegen Störungen aus der Umgebung geschützt und dennoch kontrollierbar ist. Das Konzept umgeht damit die Notwendigkeit einer aktiven Stabilisierung auf eine hochgradig hardwareeffiziente Weise und wäre daher ein vielversprechender Kandidat für einen zukünftigen Quantenprozessor, der über eine große Zahl von Qubits verfügt.

„Durch die Implementierung eines Gyrators – ein elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen, das Strom an einem Anschluss mit Spannung am anderen koppelt – zwischen zwei Josephson-Kontakten könnten wir auf eine aktive Fehlererkennung und Stabilisierung verzichten: Wenn das Qubit gekühlt wird, ist es inhärent gegen gängige Arten von Rauschen geschützt“, erklärt Team-Mitglied Martin Rymarz.

„Ich hoffe, dass unsere Überlegungen die Arbeiten im Labor inspirieren werden. Mir ist bewusst, dass dieser, wie viele unserer Vorschläge, ein wenig seiner Zeit voraus sein mag“, sagt DiVincenzo. „Dennoch sehen wir angesichts der vorhandenen Expertise die Möglichkeit, unseren Vorschlag in absehbarer Zeit im Labor zu testen.“

FZ Jülich / RK