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

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