Fehlerfrei ins Quantencomputer-Zeitalter

Heute verfügbare Ionenfallen-Technologien eignen sich als Basis für den Bau von großen Quanten­computern. Das zeigen Unter­suchungen eines inter­natio­nalen Forscher­teams. Die Wissen­schaftler haben für Ionen­fallen maß­geschnei­derte Proto­kolle ent­wickelt, mit denen auf­tre­tende Fehler jeder­zeit ent­deckt und korri­giert werden können.

Damit die heute existierenden Prototypen von Quantencomputern ihr volles Poten­zial ent­falten, müssen sie erstens über deut­lich mehr Quanten­bits ver­fügen und zweitens mit Fehlern umgehen können. „Auf­wändige Rech­nungen scheitern heute noch daran, dass die Systeme auf­grund von Störungen aus dem Ruder laufen“, sagt Rainer Blatt von der Uni Inns­bruck. „Durch Fehler­korrektur lässt sich dieser Prozess ein­dämmen.“ Jeder her­kömm­liche Computer nutzt solche Ver­fahren, um Fehler bei der Speiche­rung und Über­tragung von Daten zu erkennen und mög­lichst zu korri­gieren. Dazu wird vor der Daten­speiche­rung oder Über­tragung den Daten Redun­danz hin­zu­ge­fügt, meist in Form zusätz­licher Bits, die zum Erkennen und Korri­gieren von Fehlern genutzt wird. Auch für den Quanten­computer wurden ähn­liche Ver­fahren ent­wickelt, die im Wesent­lichen darin bestehen, die Quanten­infor­mation in mehreren, mit­ein­ander ver­schränkten physi­ka­lischen Quanten­bits zu speichern.

„Hier werden die Eigenschaften der Quantenwelt genutzt, um Fehler zu erkennen und zu korri­gieren“, erläu­tert Markus Müller von der Swansea Univer­sity in Groß­britan­nien. „Wenn es gelingt, die Störungen unter eine bestimmte Schwelle zu drücken, können wir Quanten­computer für beliebig komplexe Rech­nungen bauen, indem wir die Zahl der ver­schränkten Quanten­bits ent­sprechend erhöhen.“

Die Forscher haben eine Reihe von fehlertoleranten Protokollen weiter­ent­wickelt und unter­sucht, wie diese mit den heute ver­füg­baren Opera­tionen auf Quanten­computern um­ge­setzt werden können. Eine neue Gene­ra­tion von segmen­tierten Ionen­fallen bietet dafür ideale Möglich­keiten: Einzelne Ionen können rasch zwischen ver­schie­denen Zonen einer Falle hin- und her­trans­por­tiert werden. Zeit­lich sorg­fältig fest­ge­legte Abläufe erlauben paral­lele Prozesse in unter­schied­lichen Speicher- und Rechen­zonen. Durch den Ein­satz von zwei unter­schied­lichen Ionen­arten in einer Falle lässt sich die eine Art als Träger der logischen Quanten­bits ein­setzen, während die andere zur Fehler­messung, Rausch­unter­drückung und Kühlung dient.

Auf Basis der experimentellen Erfahrung von Forschungs­gruppen in Inns­bruck, Mainz, Zürich und Sydney haben die Forscher Kriterien defi­niert, anhand deren bestimmt werden kann, ob die Quanten­fehler­korrektur erfolg­reich ist. Auf dieser Basis können die Wissen­schaftler die weitere Ent­wick­lung von Ionen­fallen-Quanten­computern leiten, um schon in naher Zukunft ein logisches Quanten­bit zu reali­sieren, das mit Hilfe der Fehler­korrektur die Eigen­schaften eines rein physi­ka­lischen Quanten­bits über­steigt.

Aufwändige numerische Simulationen der neuen Fehler­korrektur­proto­kolle in der Arbeits­gruppe um Simon Benjamin an der Uni Oxford zeigen, wie die Hard­ware der nächsten Gene­ra­tion von Ionen­fallen-Quanten­computern weiter­ent­wickelt werden muss, um in Zukunft fehler­tolerant rechnen zu können. „Unsere numerischen Ergeb­nisse unter­streichen, dass die modernsten Ionen­fallen-Techno­logien als Basis für den Bau von großen, fehler­tole­ranten Quanten­computern sehr gut geeignet sind“, erklärt Benjamin.

U. Innsbruck / RK